【原创文章】下一站,火星(下)

主页君说

书接上回,SpaceX一直都在兜售他的“火星大梦”,说是一回事儿,但想要真正的平安登陆火星,没点儿黑科技储备还真是不行,那到底SpaceX还拥有哪些“火星技术”呢?今天咱们就来聊聊其中一项,本文作者SaturnV。

上期链接:下一站,火星(上)

常言道上山容易下山难,这对于太空载具来说更是如此。SpaceX之所以称作太空探索技术公司,而不是和某U开头的航天公司那样称作发射公司,最大的区别便是SpaceX不仅可以把物体送入太空,还可把物体从太空接回来,毕竟不到火星地表不能说对火星殖民。而这一区别的最直接体现正是SpaceX的龙飞船,马斯克曾说过SpaceX能有今天离不开NASA的资助,而NASA的研发资金又来源于龙飞船对国际空间站的CRS货运任务以及未来龙2飞船的载人任务。如果说猎鹰9火箭是SpaceX现阶段的支柱,那么现阶段为实现火星殖民目标的核心便是龙飞船。

Dragon龙飞船是现役唯一可重复使用宇宙飞船,亦是航天飞机轨道器退役后全世界唯一一款能把货物送回地面的宇宙飞船。正如猎鹰9第一级回收理念诞生时诸多专家的不屑,复用飞船理念诞生时也同样遭到了无数质疑。一直有恶趣味的马斯克于是取了1960年代活跃在美国乐坛的一支三重唱组合“彼得、保罗和玛丽”的成名曲,“魔法龙帕夫”的名字命名飞船,“你们不是认为我的航天计划不可能嘛,那我就用出名但不存在的生物龙来命名!”显然和以星球大战中最快的宇宙飞船“千年鹰”(Millennium Falcon)来命名SpaceX火箭不同,龙飞船的得名充满了反讽的气息。而更为恶趣味的是龙飞船2010年12月8日的首次测试飞行时的唯一载荷,是一大块圆形奶酪。。。。。。

Say Cheese!

按照SpaceX官方的说法,奶酪是“致敬”的英国著名喜剧连续剧“蒙提•派森的飞行马戏团”第33集中的奶酪店,值得一提的是现代三大编程语言中的Python,便是因为Python的作者吉多•范罗苏姆特别喜欢《蒙提•派森飞行马戏团》(Monty Python’s Flying Circus)而得名。不过在其他人看来,这块奶酪绝对是马斯克的嘲讽,因为奶酪(Cheese)是西方文化中拍照前一起喊的词,也是中国拍照前“茄子”的来源,“你们不是一直认为龙飞船不可能嘛,现在轮到你们说Cheese(拍照)了。”其实在SpaceX公布龙飞船复用方案后各路专家对其表示的怀疑和质疑也并非完全空穴来风,毕竟航天飞机轨道器高昂的维修保养费用仍历历在目。而造成航天飞机发射成本居高不下,乃止高过一次性飞船的根本原因,还要回到宇宙飞船“下山”的难题上。

STS-135谢幕演出

从实际拍摄的航天器再入大气时的照片中能看出,航天器被一层像火一样的东西包裹着,其实这并不是火,而是和火一样的等离子体。以航天飞机轨道器为例,其在大约400千米的高度时相对地表速度为27680千米每小时,及一秒7.6千米。若要降落到地表,高度带来的势能和动能根据能量守恒定律必须全部以另一种方式释放,也就是大气摩擦产生的热能。而当巨大的能量在极短的时间内注入气体时会直接电离气体分子产生等离子体,导电且高温的等离子体会把轨道器整体加热到超过1000 °C,而在气压最大的机翼前端和机鼻处温度可达1650 °C,足以瞬间融化没有隔热保护的铝合金机身。既然如此用不导热的材料来保护不就行了?嘛,其实要复杂一些,因为所选材料不仅要面对极端的高温,还要面对从真空到高温的极端温差。

如公式所示,导热系数k和比热容C成正比。导热系数低的材料,比如泡沫塑料(k=0.02 W/mK),虽不怎么传导热量但材料自身所能吸收的热量也低(C=1.3 kJ/kgK),在极端高温下会迅速热量饱和失去隔热作用。而若使用比热容高的材料,比如冰(C=4.18 kJ/kgK),虽能吸收大量热量但材料的导热系数也高(k=1.6W/mK),在极端温差下热量会迅速穿过材料,依然无法起到隔热作用。某种意义上来说再入航天器的隔热材料,就是在导热系数和比热容之间寻找一个绝佳的平衡。当然为满足k尽可能小但C尽可能大,平均自由程(λ)和声子速度(v)也要尽可能小。

面对此难题,航天飞机轨道器的解决方案是采用两套不同的材料来完成对机体的隔热保护。上图深蓝色部分采用硼硅酸盐玻璃烧蚀瓦片而成,此种隔热瓦导热系数极低,因此再入时能承受至少1260°C的高温。同时为弥补玻璃的低比热容隔热瓦呈全黑色,发射率超过0.8,也就是说绝大多数吸收的热量都以热辐射的形式释放,避免隔热瓦过早热量饱和。在上图棕色部分,轨道器采用强化碳-碳复合材料以承受至少1650°C的高温。和隔热瓦一样强化碳-碳复合材料有着极高的发射率,但和隔热瓦不同强化碳-碳复合材料的导热系数偏高,热量会被大量吸收后快速传导分散到温度较低的上层机翼和导热系数低的机身前端隔热瓦上。同时机翼前端内的空隙使导热系数低的空气可阻隔热量直接传导至铝合金机身,辅助强化碳-碳复合材料分散机翼前段和机鼻的热量。

硼硅酸盐玻璃隔热瓦设计

强化碳-碳复合材料中空设计

哪怕以现在的眼光来看,这两款在1980年代专门针对轨道器研发的隔热材料也是工程学上的奇迹。不过这并不意味着高温隔热瓦和强化碳-碳复合材料便是最佳的选择,最直接的问题便是强化碳-碳复合材料密度偏大(1.98g/ml),且为保证高导热性,轨道器两翼上的强化碳-碳复合材料最薄处仅6.4毫米最厚处也仅12.7毫米,很容易在外力作用下破损,事实上哥伦比亚号航天飞机的事故直接证明了这一缺点。另一方面虽然隔热瓦可以重复使用,但较脆的隔热瓦需要一片一片用胶水粘在机身上,以避免机身因热胀冷缩而和隔热瓦分离。为确保比热容低的隔热瓦没有在再入时热量饱和,轨道器上超过24000片隔热瓦都要在返回后检查,并更换已饱和失效的瓦片。这也是为何从照片上看轨道器底部黑灰色不一的原因,越黑的瓦片越新,越灰的则越旧。

每一片边长15.2厘米的正方形隔热瓦造价达1000美金,而安装每一平方英尺(约929平方厘米)的隔热瓦则还需要10000美金,再加上检查两万余片隔热瓦和22片强化碳-碳复合材料的耗资,这些无形中的价格负担最终造就了航天飞机平均每次发射将近4亿5千万美金的价格。若不能在隔热材料方面有所进步,那计划重复使用的龙飞船也只会重蹈航天飞机轨道器的覆辙。

“好奇号”隔热罩等比模型测试

哪怕不从经济的角度而从登陆火星的角度考虑,SpaceX也必须要使用新的隔热材料。以“好奇号”火星车为例,尽管进入火星大气的速度5.9千米/秒略低于地球再入速度,但火星独特的大气成分和为精确降落的迎角轨道让“好奇号”要承受最高2100°C的高温,远高于航天飞机轨道器所使用材料的极限。而飞船越大气动阻力也越大,摩擦产生的热量也越多,未来的大型火星登陆飞船势必要承受比直径仅4.5米的“好奇号”还要高的温度。

PICA测试

NASA的资深隔热材料专家Dan Rasky恐怕永远也不会忘记2008年和马斯克的一次会议。当马斯克询问Dan,在他看来刚刚接到NASA“商业补给合同”研发货运飞船的SpaceX,应该采用什么隔热材料时,Dan推荐了自己参与研发的PICA隔热材料,并建议和NASA阿姆斯研究中心合作以保证SpaceX可自产PICA。出乎Dan以及参会所有人员的预料,这个一般在NASA需要经过数次讨论,数次会议以及数次评估后才会做出的重要决定,马斯克在一次会议便搞定了。SpaceX不仅要使用人类航天史以来研发过的最耐热的防护材料,还要自己生产改进完善PICA。

PICA微观构造

PICA是英文Phenolic Impregnated Carbon Ablator的首字母简写,即酚醛浸渍碳烧蚀材料,是NASA阿姆斯研究中心为航天器从深空返回而研发的高性能烧蚀隔热材料,可谓是阿姆斯研究中心几十年科研的积累结晶。首先PICA的密度仅有0.27g/cm,同样厚度的PICA所占飞船整体质量非常小。在具体烧蚀特性上,PICA有点类似航天飞机轨道器两种材料的优势结晶,高导热系数的酚醛树脂(k=393W/mK)充当低导热系数碳纤维(k=21W/mK)的粘合填充物,使PICA微观上呈多孔结构。当PICA被高温气体快速加热时,高比热容的酚醛树脂在高压高温下迅速升华成气体,吸走热量同时在微观上改变PICA的构造。没有了填充物的碳纤维重新组合成新的碳基质,由于碳基质的碳分子比碳纤维更加紧密,PICA表面会形成一层导热系数极低的烧蚀层,隔绝热量进一步深入。当表面的烧蚀层被气体氧化后,内层的PICA再重复上述过程,直到飞船完成减速或隔热层全部烧蚀氧化完。PICA甚至在阿姆斯研究中心的测试中短暂承受了7000°C,4.9千米/秒的高温高压气体灼烧,这一温度甚至比太阳表面还要高1500°C。

PICA烧蚀示意图

正是因为如此出色的隔热性能,PICA被选为星尘号彗星探测器返回舱的底部隔热材料,并创下了有史以来最快再入地球大气的飞行速度。2006年1月5日星尘号返回舱以13千米/秒的速度再入,打破了阿波罗10号之前保持的11.08千米/秒纪录,星尘号返回舱再入时底层表面最高温度达2900°C,据说犹他州西部和内华达州东部都可肉眼观测到巨大的火球。不出意外,PICA随后被选为“好奇号”的底部隔热材料,并同样完美地抵挡了火星大气的摩擦热量。不过值得注意的是,马斯克在2008年决定龙飞船使用PICA时“好奇号”还没有决定使用PICA,也就是说马斯克凭借星尘号的成功案例提前判定PICA有能力胜任火星降落隔热,并在4年后得到“好奇号”的证明。那比NASA要快几个级别的选择速度并非马斯克一拍大脑的冲动决定,相反是在身为半个“外行”的基础上获取更多他人不关注的信息后做出的果断决定。

龙飞船隔热罩(上)和“好奇号”隔热罩(下),相似度爆表

龙飞船使用的PICA-X,是SpaceX在原PICA材料上进一步改进的结果。尽管没有官方证明,但X(罗马数字10)普遍认为是生产价格的象征,PICA-X的造价只有PICA的十分之一,这要归功于SpaceX买入所有PICA生产技术自行生产,以及龙飞船的需求量让PICA-X产量上涨后单价降低。在结构上PICA-X将PICA的一体式制造改进为瓦片式制造,使用多片PICA-X瓦片可拼接覆盖更大面积,此改进同样为“好奇号”的PICA隔热罩所用,可谓NASA和SpaceX互帮互助的又一典型例子。龙飞船使用大约8厘米厚的PICA-X隔热瓦,在经历比航天飞机轨道器还要高的1850°C再入高温后,仅烧蚀不到1厘米,PICA-X是一款真真正正的可重复使用航天隔热材料。出于海水腐蚀的安全考虑,第一艘复用的CRS-11龙飞船并没有复用之前CRS-4的PICA-X隔热瓦,不过鉴于NASA从最早不愿意使用二手猎鹰9火箭到现在口嫌体正直的同意使用,龙飞船和龙2飞船复用PICA-X隔热瓦或许只是时间问题。

不过对于SpaceX来说,PICA-X带来的最大收益不是复用,而是厂内自行生产让SpaceX可根据实际飞船需求进一步改进PICA-X,为绕月返回的龙2,乃至未来登陆火星的BFR宇宙飞船做好准备。下一站,火星,需要的不仅是宏伟的规划,还是每个看得见和看不见的细节完善,以半个世纪以来人类航天科技的诸多技术成果和经验教训,来达成火星殖民的目标。从第一艘龙飞船进入太空并成功返回那一刻起,这条诸多人眼里飞不起来的“龙”便已经为SpaceX踏出了最终火星殖民目标的第一步。而那时喊“奶酪”的人,又有多少看到了这不起眼的一步呢?

(全文完)

(主页君补充一句,上期提到的首飞载荷跑车是不登陆的,所以这一期里面的PICA-X并非用于下个月的重型猎鹰首飞,而是为未来的载人龙飞船和BFS所使用)


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