任念東:馬斯克“炸火箭”,什麼水平的操作?
【文/觀察者網專欄作者 任念東】
1月19日,SpaceX公司完成了為NASA提供近地軌道載人服務的最後一項測試——“飛行中發射中止測試”,用一枚真實的獵鷹9火箭將“載人龍”飛船發射升空,並在途中模擬發射失敗的宇航員救生場景。

這個測試有什麼用?
這還得從空氣説起。
在飛船發射過程中,高速流動的空氣會對飛船產生阻力,這個阻力大致可以用一個公式來表示:

式子中,阻力因子C和麪積S都是常數,影響阻力的只有空氣密度ρ和速度V。
隨着火箭加速,V當然是持續增加的,但是同樣隨着高度的提升,空氣密度ρ又會下降。
因此在火箭穿越大氣層的過程中,會出現一個阻力最大的點——最大動壓點,也叫“max-Q”。

在上面這張圖裏,紅線是速度,藍線是空氣密度,綠線就是動壓,能看到綠線有且僅有一個峯值。
那麼,如果在這個最大動壓點附近飛船能夠安全救生,那麼在其他阻力更小的情況下救生應該也能做到。
SpaceX和以前的測試有什麼不同?
在NASA的傳統中,新飛船需要進行實際的飛行逃逸測試,不過傳統上是用較小的火箭搭載發射。這種傳統可以追溯到美國最初的載人航天計劃“水星”中。

用於“水星”飛船逃逸測試的“Little Joe”火箭
在阿波羅計劃中,上升段逃逸測試用的火箭升級為“Little Joe II”。在阿波羅計劃的第三次飛行逃逸測試(A-003)中,由於故障,火箭陷入了不可控的旋轉中,最終在低空解體。而逃逸系統成功將阿波羅飛船的模擬返回艙在火箭爆炸時“拽”了出來,生動直觀地體現了系統設計的可靠性。
“阿波羅上升逃逸測試”
最近的一次上升段逃逸測試,是2019年7月2日進行的“獵户座”飛船逃逸試驗Ascent Abort-2,採用的助推火箭則是“和平衞士”洲際導彈的固體一級發動機SR118。
“獵户座飛船逃逸測試”
不過,與SpaceX的測試相比,細心的讀者朋友應該發現了些許不同。
“獵户座”飛船逃逸發動機點火時,助推火箭並沒有停止燃燒,而是在飛出畫面前持續工作:

而根據SpaceX公佈的遙測畫面來看,在“載人龍”飛船的發動機點火後,運載火箭的發動機就關機了。

根據NASA局長布里登斯廷在測試後的發言,逃逸過程中的最大過載是3.5g左右。
“這令人印象深刻。”他説,“本以為(逃逸過程)會很粗暴,但數據並非如此…這給了宇航員信心,如果我們不得不啓動逃逸程序,乘坐體驗不會那麼糟糕。”
3.5g是什麼概念呢,是前一陣子出現故障的波音“星際客機”飛船的發射過載上限。
也就是説,“載人龍”飛船在最大動壓點附近的逃逸加速度,近似於載人發射的正常加速度。
作為對比,阿波羅飛船和聯盟飛船的逃逸過載都在10g水平,“獵户座”飛船的逃逸塔也繼承這種優良傳統,“跑贏”了還在工作的固體火箭助推器。
產生這種差異的根本,還是在於飛船選擇的逃逸方式不同。
飛船的逃逸方式有哪些?
總的説來,在發射階段採用的逃逸方式主要有彈射座椅逃逸、逃逸塔逃逸和推式逃逸三種。
彈射座椅逃逸主要用於早期載人飛船,以及美蘇兩國的航天飛機。由於只能在發射的前幾十秒保護成員,現在已經基本被淘汰。

蘇聯“暴風雪”號航天飛機的彈射座椅設計
逃逸塔逃逸是目前最廣泛應用的逃逸方式,美國的阿波羅飛船、聯盟飛船、神舟飛船、“獵户座”飛船,都採用了由固體火箭發動機組成的逃逸塔。固體逃逸火箭的特點就是瞬時推力大、初始推力大,因此初始加速度大,能夠儘快把航天員帶離危險區域。

阿波羅飛船的逃逸塔
而“載人龍”飛船和波音的“星際客機”飛船採用的是“推式逃逸”技術,用飛船自帶的液體火箭發動機執行逃逸,省去了龐大而沉重的逃逸塔。
液體火箭可以反覆點火、重複使用,但是其“爆發力”一般比不過同等級固體發動機。根據新聞,“載人龍”飛船進行發射台逃逸的最大過載是6g,因此在飛行段阻力最大的情況下逃逸加速度下降到3.5g左右也是正常的。

採用“推式逃逸”的波音“星際客機”飛船
説了這麼多,為什麼要炸火箭呢?
回到SpaceX“炸火箭”這件事上。
不得不説,埃隆·馬斯克是個世界級營銷高手。
他知道怎麼做能夠吸引大家的眼球,也知道怎麼做能事半功倍達到目的。
在測試的最後,運載火箭被引爆。火箭化作一團火球,“載人龍”飛船成功逃出,安然無恙,宣傳效果直接拉滿。
也不會有人關心,火箭是在飛船逃逸的同時就熄火,並且在熄火8秒後才引爆。
那個時候飛船加速再慢,也早就飛到安全距離外了,引爆火箭不會有任何負面影響。
甚至“馬斯克要炸火箭”這件事,提前好幾天就成為了全世界各大媒體的焦點。
穩賺不虧。
認真地説,在許多需要啓用逃逸程序的情況下,火箭能夠及時關閉發動機,給飛船足夠的時間飛離危險區,因此SpaceX在執行逃逸試驗的同時關閉火箭發動機的舉措並無不妥。
不過還有極少數的情況,發動機不是你想關,想關就能關的。

當然,我們也不必對此有什麼額外的擔憂,NASA對相關測試有全過程監督和審查。
只要NASA能接受這個設計,那就一定是好的設計。
不是嗎?
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