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猎鹰9号火箭可回收,长征五号“失控”坠落,真是技术差距大?

马斯克迷们时常津津乐道于SpaceX的猎鹰9号火箭可垂直回收,并且是稳稳着陆于汪洋大海中的一叶“方舟”上,不仅如此,其中的一枚火箭竟然回收并发射了9次。于是大呼曰:“马斯克代表未来,乃神人也!”

反观中国的长征五号B火箭,虽说比猎鹰9号腰围大了一圈,但运载能力差不多,更重要的是长征五B是一次性,用完即弃,“实在是浪费”。每当说到这里,“马迷”们无不充满嫌弃。

长征五号与回收的猎鹰9号

老周首先需要纠正一点:长征五号B火箭的近地轨道(LEO)运载能力官宣是“大于22吨”,它将22.5吨推到近地轨道没有问题;猎鹰9号LEO运载数据却有两个――不回收火箭时22.8吨,如果想回收一级火箭到着陆平台(ASDS),则最多只能运15.6吨,少了7.2吨。

单从最大荷载来看,猎鹰9号可以将22.5吨重的“天和”核心舱送上天,当然它无法回收火箭。但是考虑到“天和”号带整流罩后的高度达20.5米、直径5.2米、重量达到27.5吨,对于猎鹰火箭来说太大太重,再要想回收一级火箭就没有可能了。

为什么猎鹰9号运载能力会变小?因为它回收一级火箭是以消耗燃料为代价的,这些燃料抵消了荷载重量,因此产生了7.2吨的荷载差距

猎鹰9号一级火箭空中减速

其实猎鹰9号火箭更像是一枚加长版长征五号助推器,二者都是烧液氧煤油,直径相仿,点火助推时间都是170秒左右。长征五号火箭大约在220秒左右飞出大气层抛整流罩,猎鹰火箭第一级则需要在大气层内就脱离返回。

根据任务的不同,猎鹰9号一级发动机关机并与二级火箭分离的高度大约在65~76公里之间,未出大气层;末速度约4.9~6.8马赫,这个速度与23马赫的第一宇宙速度相去甚远。

我们发射卫星、飞船和空间站等航天器,首先需要将它们送出稠密的大气层,同时赋予它7.9公里/秒的初速度,这样才能保证航天器长时间稳定运行的需要。从这个角度看,猎鹰9号火箭的第一级无论从高度还是速度方面都无法满足要求,它从设计时就没有考虑要飞出大气层。

猎鹰9号靠第二级推出大气层

与包括猎鹰9号在内的大多数运载火箭不同,长征五号B是“一级半”构型的火箭,它的四枚助推器加起来算“半级”,在大气层内脱落;芯一级火箭不仅需要将天宫空间站核心舱推出大气层,送到200-400公里高度的轨道上,还需要给“天和”号核心舱一个7.9公里/秒的初速度,确保它不掉下来。

于是当火箭与核心舱分离的时刻,长征五号的芯一级实际上也跟在“天和”号的屁股后面,成为一个环绕地球飞行的航天器了。

许多朋友都知道地球大气层100公里高度有一个“卡门线”,这里被称为大气层的边界,于是都说地球大气层的厚度是100公里。需要说明一点:大气层其实并没有明确“边界”,我们经常称之为太空的400公里高度实际上属于大气层“热层”,这里依然有稀薄的空气,因此也存在空气阻力。在空气阻力作用下,国际空间站不断减速,每天会往下掉100米。

空间站每天下落100米

同样因为空气阻力的作用,长征五号火箭在关机后也会不断下降高度。2021年3月26日凌晨,一群燃烧的火球划破美国西雅图的夜空,这是猎鹰9火箭第二级掉落的残骸。按计划,SpaceX应该利用火箭剩余的燃料减速,让二级火箭在3月4号重返大气层,火箭因为点火失败在轨道上多漂了22天,最后失控落在了华盛顿州。

猎鹰9号第二级分解掉落

那么长征五号B的芯一级火箭果真也是像西方媒体描述的那样是“失控火箭”吗?“天和”核心舱的发射时间是4月29日,它重返大气层的时间是5月9日前后,总共才9天多时间,因此我们可以下结论:长征五号芯一级火箭在与“天和”分离后利用剩余燃料“踩了一脚刹车”,它的返回轨道是科学家们已经计划好了的,是“受控坠落”而非“失控残骸”。

长征五号与天和号核心舱分离

那么,让一枚巨大的火箭从近地轨道受控降落在指定区域的难度到底有多大?到目前为止没人能做到,也没必要做这件事情。

SpaceX为了节省发射成本,让它的猎鹰9火箭第一级受控降落在海面移动趸船上,这不仅需要精确控制技术,还需要付出7吨荷载的代价,你也可以将它理解为大马拉小车付出的“成本”。猎鹰9号一级火箭无论从高度还是速度都比较低,如果从大气层外以23马赫的速度返回,其难度要高出几个数量级,在经济上也是不划算的。正因为如此,SpaceX在2014年就正式宣布放弃二级火箭的回收计划,改为“受控坠落”。一个4吨重的助推器尚且如此,更不用说全程控制一枚18吨火箭要付出多大代价了。

长征五号火箭是巨大的

火箭再入大气层时,由于与空气剧烈挤压摩擦产生几千度高温,它的铝合金壳体以及复合材料燃料箱会燃烧并解体,裂成碎片、化作尘埃。与空间站不同,火箭的零件大多又薄又轻,因此即便有少量掉到地面上,也不会构成大的伤害。长征五号B的残骸坠落轨迹经过反复计算,它的落区大概率位于海洋,砸中人的概率可以忽略不计,我们大可不必担心。