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8月2日,SpaceX公布了最新的猛禽V3发动机。根据马斯克展示的实物照片来看,猛禽V3发动机整体造型十分简洁,前两代错综凌乱的管线已经消失不见,取而代之的是几根管径粗大、整齐布列的排线。

尽管猛禽V3尚未服役,试飞阶段仍未结束,据了解该款发动机的推力已经提升至269吨,一举超过贝佐斯蓝色起源公司be-4发动机240吨的推力,成为人类迄今性能最强劲的火箭。

五年时间,三次换代,SpaceX的猛禽发动机如今可谓是发生了翻天覆地的变化。更为重要的是,猛禽发动机在性能逐代升级的同时,竟然做到了成本不断下降,从第一代的200万美元成本到第三代的25万美元,马斯克究竟是如何将低成本航天压榨至极致的?猛禽三代之间又有何差别不同?

惊艳全球的猛禽V3

猛禽发动机立项于2012年,SpaceX公司为星舰打造的专属分级燃烧循环发动机。它采用液氧甲烷为推进剂,其使用的全流动燃气发生器循环技术相较于传统火箭发动机,能进一步强化燃烧效果与发动机性能,为发动机推力效率带来显著提升。

火箭发动机推力主要依靠提升燃烧室压力实现,首代猛禽发动机问世时,燃烧室大气压为250,对应推力为185吨,这已经是十分惊艳的数据了。猛禽V2横空出世时,燃烧室压力直接提升至330个大气压,推力也飙升至230吨,性能提升足足24%

今年5月14日,马斯克对外公开,称猛禽V3发动机已经完成初步实验,大气压提升至360多个,推力也来到了269吨,对比第一代提升幅度高达45.4%。考虑星舰一级超重型助推器会搭载33台猛禽发动机,综合总推力会突破至8878吨(1950万磅)。对比之下,土星五号的推力为3400吨,新一代星舰助推器性能等同于土星五号2.5倍之多。

而苏联的N1火箭推力也不过4600吨,能源号火箭推力更是只有3300吨。中国目前最强火箭长征五号,总推力只有1060吨,正在研制的重型长征九号推力为5873吨,首飞日期直接排到了2030年之后。对比之下,猛禽V3的性能优势可谓高下立判,SpaceX的火箭技术更是独步全球。

除了性能部分,猛禽V3对比前两代最直观的不同之处就是外观设计猛禽V3将前两代的多零部件整合为一,使得发动机零部件的管端连接、线路连接以及各类螺丝垫片大幅减少。因此我们才能看到猛禽V3上高度整体性的冷却通道壁,而整个发动机重量也骤降100多公斤、推力也随之大幅提升。

根据马斯克透露,猛禽V3目前仍存在较大减重空间,后续将推出优化版本的猛禽3.x预计推力将超过300吨上限,推重比也将大于200。届时星舰V3的起飞推力将来到旷古烁今的万吨级别!

从首代的250个大气压,185吨推力,短短五年间,马斯克就将猛禽提升到了350个大气压、269吨推力。猛禽发动机性能的不断刷新,充分展示了SpaceX在核心技术领域的深度探索与持续优化,可SpaceX又是如何做到这一点的呢?

这要归功于SpaceX的灵活开发模式:SpaceX避开了传统航天的迭代开发模式,而是遵循了类似软件开发的快捷方式,从设计猛禽原型,测试性能到分析失败、调整再测试,SpaceX每次都能快速找到问题根源并汲取经验,在极短时间内对发动机各项指标不断完善改进。

再来看看猛禽V3日后所装载的重型火箭星舰V3,目前SpaceX的星舰计划经历两轮更新换代,第三代星舰最终将高达150米。一级超重预计搭载35台猛禽V3,二级飞船将增加3台真空猛禽,如果一切顺利,星舰V3推力超万吨已是板上钉钉的事实。

今年3月,星舰迎来了第三次轨道测试,伴随着33台猛禽发动机点火成功,飞船顺利进入近地轨道,有效完成载荷门测试,并最终成功重返地球大气层,SpaceX迎来了自己最好的22岁生日礼物。

低成本航空理念的启示

2002年,马斯克尝试从俄罗斯人手中购买火箭无果后,便决定创立SpaceX独自走上航天之路。马斯克为SpaceX设定的创立信念为:人类探索恒星的未来比不探索的未来更令人兴奋。运营理念为:低成本、高可靠在公司成立后,马斯克随之制定了星链卫星、月球旅行、火星旅行等一系列宏伟壮观的太空计划。

如今的SpaceX主要有三大核心竞争力,一是猎鹰九号和猎鹰重型火箭;二是负责向国际空间站运输货物的龙飞船;三是肩负日后人类移民火星重任的星舰。但这三大板块都有一个核心共同点——拥有无与伦比的低廉发射成本。

龙飞船2号单个宇航员座位成本为5800万元,同级别阿波罗成本高达3.9亿美元,前苏联联盟号成本8600万元。更为著名的是SpaceX在可重复使用航天器领域的开创工作,新Block 5火箭在翻新前需要飞行10次之多,退役前的飞行次数累计多达上百,这是全球诸多航空公司至今未曾实现的壮举。

凭借极低的发射成本,SpaceX仅2023年就进行了足足98次火箭发射,占比全球总量的44.34%。要知道,中国在2018年就已经是全球航天发射次数最多的国家,去年更是执行了67次发射任务,突破了自身记录,但在与SpaceX的对比中还是有些黯然失色。

从更关键的发射质量来说,2023年SpaceX旗下火箭累计发射了1195吨的载荷,占比全球总量80%,更显地位超然。这一切现象的背后主因,就是SpaceX超低廉的发射成本与极具竞争力的市场报价。

可SpaceX又是如何实现独一无二、冠绝全球的低成本发射的呢?

SpaceX面向全球源源不断的招募各大公司的优秀人才,比如推进部门副总裁,就是原TRW公司的核心设计师,火箭飞船测试副总裁是波音德尔它4火箭的测试项目主管。人才的引进为SpaceX带来了先进成熟的管理经验与技术,大大节约了培训和时间成本。

对内,SpaceX公司秉持简约高效运行模式从上而下缩减管理层级,需求产品尽量减少外包。如今SpaceX超过70%的零部件都是在内部工厂中制造而出,这让他们能将单轨道成本控制在每磅1000美元,仅是NASA的十分之一,并且远低于我国长征火箭。

对于中国航空企业来说,我们要深度学习SpaceX实用化发展路线,坚持使用低成本、高可靠性的成熟技术。正如马斯克所言:廉价太空飞行的基础,是使用更简单、更可靠的系统组件。比如猎鹰九号和重型猎鹰系列火箭发动机,均使用的是灰背隼-1,一二级也采用了相同设计结构,且只有一个焊接工作站,这就是所谓的大道至简。

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