【原创点评】闲聊猎鹰9这次回收失败和动力冗余设计

大家从图1里可以看到,今晚的这次猎鹰9发射中,在上升段一台发动机提前关机(其实就是炸了),但结果大家知道了,猎鹰9再次凭借动力冗余能力,使得卫星依旧顺利入轨,只不过回收失利。对于这个事儿,突然想起来几点,闲聊一下,不对的可以拍砖。

1.这是猎鹰9的9机并联的动力冗余功能时隔8年再次发挥作用,上一次是2012年CRS-1任务(图2),一台发动机爆炸,其余8机延烧,龙飞船依旧顺利入轨。

2.原始设计是,猎鹰9在起飞阶段,炸掉一台发动机依旧顺利入轨;飞行段炸掉两台发动机依旧可以顺利入轨。火箭的GNC系统可以通过中央发动机的矢量摆动,加上弹道的迭代重规划,保证火箭继续正常飞行。这个策略和N-1火箭不同,N-1的发动机不具备摆动能力,一旦某台发动机出问题,只能采用关闭对称发动机的方式防止姿态失控,最多允许四台,当然这招好像不是太好用。

3.如果没有这项能力,猎鹰9的发射记录上将加上2次失败,86次发射4次失败(95.3%)的话可就很不好看了,现在是97.7%。

4.这次炸掉的很可能是中央发动机,因为中间这台是猎鹰9的”阿基琉斯之踵“。对于回收过程,其他发动机如果炸了,中间摆动一下都能补偿回来,但如果中央炸了那是彻底没得救(图3)。中央发动机因为在回收过程中要经历2-3次点火,累计至今5次发射,寿命损耗远胜其余发动机,如果是疲劳问题导致的此次异常,发生在中央发动机也是合情合理的。

5.可惜火箭没回来,如果带着炸掉的一台回来,这对可靠性和疲劳寿命研究是绝佳的素材。之前猎鹰9在走载人认证时期,NASA一直要求SpaceX解决一个梅林发动机(Merlin)涡轮泵叶轮裂缝隐患,而这个隐患其实是通过拆解回收后的梅林发动机才发现,如果猎鹰9是一枚一次性火箭,这个隐患或许永远也不会被发现,这就是可回收的另一层价值所在。

6.这次爆炸因为发生在上升段,可以算作是比较严重无后果的事故,对于其后续商业发射影响可能并不大,对保险费率影响也有限。但最关键的是NASA很可能跳出来,在归零结束前对后续载人龙的载人首飞发射予以阻止。

7.火箭的动力冗余设计并非是必须的,我国的长征系列运载火箭中,就鲜有(不敢说没有,没具体查过所有型号)动力冗余设计。也就是说发射时任何一台发动机挂掉都会导致任务失败,好在YF-20系列可靠性实在是太优秀了,堪比传奇的RD-107系列。

8.但是动力冗余技术从一定角度上,的确可以提高动力系统的可靠性,对火箭整体的可靠是起到了促进作用的。详见图4,出自论文《运载火箭动力冗余技术》,作者张智等。至少猎鹰9从未因发动机失效而导致任务失败。其他的想到了再聊。

《【原创点评】闲聊猎鹰9这次回收失败和动力冗余设计》上的8个想法

  1. 我觉得中央发动机位置应该是9台里面轮流做的,芯级降落肯定要比其他台多点火2次,还有其他测试之类的,不可能一直固定一台做中央位置,四次回收之后磨损太大了,我们都知道车子开久了前轮比后轮磨损大,所以要对调前后轮胎,工程师肯定早就考虑到这点。

  2. spx至今也有部分时段三发点火降落的经验了,能否让电脑控制对称的两发降落?还是说两发的推重比实在太大了?

  3. 中心发动机跟边上的八个是一个型号的吗,如果一个型号可以9个轮换的做中心发动机

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