航天颠覆性技术之运载工具篇
人类的航天史就是一部不断颠覆的历史。每一代新的航天器和应用系统，都在大大小小的方面追寻着技术颠覆。本篇，来看看运载工具中有哪些航天颠覆性技术。肼是一种剧毒的液体，它的分子式是N2H4。作为航天燃料，肼的用途相当广泛。苏联/俄罗斯的质子号和中国的长征二号、三号、四号系列火箭，都采用肼燃料。即使在运载火箭逐步实现无毒化的今天，空间飞行器的姿态和轨道控制也离不开肼。载人龙飞船和中国空间站上都配备了肼推力器。可以说，肼的发明和应用，是一项具有里程碑意义的事件。肼的发明早在航天时代之前。1889年，德国化学家西奥多·库尔提乌斯就首次制造出了肼。肼是一种强还原剂，在处理核废料的时候，如果加入肼，就可以把钚氧化物还原回钚金属。在发电站的水冷却系统中，有时候也会加入肼，它可以清除溶解氧，免得这些溶解氧和管道的金属发生反应，造成腐蚀。肼可以用来制造氨纶纤维，几乎所有弹性衣物面料都需要用到。那么在宇航领域，肼是怎么被选中的呢？人们很早就发现，肼和氧化物相遇，会发生非常剧烈的反应，产生大量热气体，成为动力。不过第一个采用肼推进的不是运载火箭，而是一种奇怪的火箭飞机，也就是纳粹德国的梅赛施密特Me163B。这是世界上第一种火箭动力战斗机。它采用的燃烧剂是一水肼（肼和水的1：1混合物），或者“C Stoff”（57%甲醇、30%肼、13%水），氧化剂是“T Stoff”（80%的过氧化氢和20%的水）。这种飞机给人们留下了深刻的印象，不但具备空前的高速度，而且一旦燃料泄漏就很容易爆炸。虽然它炸死了很多德国飞行员，却为火箭科学家们提供了思路——肼如果处理好了，是一种不错的推进剂。特别是在探测器的再入控制系统当中，只需要用铱催化剂来催化液态肼，分解之后就能产生大量气体，有一定的温度和压力，可以产生推力。凤凰号着陆器和好奇号漫游车的着陆过程都采用了肼燃料产生推力。在它们的推进器中，负载在惰性氧化铝基体上的铱催化剂分解肼以产生氨、氮气和氢气。反应从少量液态肼中产生大量的气体，加压的热气体从产生推力的航天器中排出。为了降低意外爆炸的风险，化学家们在肼的基础上，研制出了一系列变体，例如单甲基肼和偏二甲肼。这些肼燃料比纯粹的N2H4要稳定一些。而它们的搭档，也就是氧化剂，也不再是过氧化氢，而是效率更高的四氧化二氮（N2O4）。那么，四氧化二氮又是如何被用在火箭上的呢？首次想到这个用途的，是秘鲁科学家佩德罗·保莱特。他在1927年发表报告说，早在19世纪90年代，他就尝试着建造一种火箭发动机，用弹簧控制喷嘴，周期性地把四氧化二氮和汽油混合在一起，点火爆燃，每分钟可以喷射300次。1928年3月15日，德国火箭协会的一份出版物认为，保莱特的液体火箭设计很不错，纳粹德国也想找他帮忙，但保莱特拒绝了。保莱特不帮忙，纳粹就自己干。1944年初，德国科学家对四氧化二氮作为火箭燃料氧化剂的可用性进行了研究。不过这时候的纳粹已经行将就木，有关研究并没有落实到型号上。上世纪50年代后期，纳粹的研究成果被美国和苏联消化吸收，用在许多火箭研制上。四氧化二氮的好处是在常温常压下可以保存，在洲际导弹发展的早期，这是很大的优点。美国的泰坦系列洲际导弹就采用了肼和四氧化二氮的组合，后来发展成运载火箭。美国双子座飞船和阿波罗飞船以及航天飞机上，也采用了肼和四氧化二氮。迄今，相当多静止轨道卫星和许多深空探测器，依然采用肼和四氧化二氮。四氧化二氮也是有毒的。1975年7月24日，美国完成了阿波罗飞船与联盟飞船的最后一次对接任务，返回地球。但是返回过程中，因为开关控制错误，姿态控制推进器在机舱换气入口打开后又点火了，一部分四氧化二氮进入返回舱，导致一名航天员昏迷，其他人也因肺炎和水肿住院5天。到目前为止，氢氧是比冲最大的火箭燃料。采用氢氧发动机后，人类把化学发动机的能力发挥到极限。迄今为止，能够研制氢氧发动机的只有美国、中国、俄罗斯、法国和日本，而且俄罗斯并没有现役的氢氧发动机。氢氧发动机的突破，是在上世纪五六十年代实现的。最早使用氢氧发动机的并不是主发动机，而是洛·马公司的半人马座上面级及其RL-10液氢液氧发动机。因为这个型号的先导，美国宇航局才敢于提出研制J-2火箭发动机，用来驱动土星五号火箭，实现载人登月。因此可以说，半人马座上面级使用氢氧推进剂，是一个历史性的成就。美国宇航局历史学者称之为“驯服了液氢”。液氢液氧推进剂虽然比冲高，但工作在两个极限之下。存储态的液氢液氧是极寒，燃烧室里却又是极高温。洛·马公司在半人马座上面级设计之初，就采用了非常大胆的方案，用同一个薄壁储罐来存放液氢和液氧，中间用一个玻璃纤维隔板隔开，一部分装比较冷的液氢，另一部分装比较“暖”的液氧。储罐壁厚只有0.51毫米，放在地面上甚至会塌下去，但充入液氢液氧之后，就会像易拉罐那样膨胀起来。就在半人马座上面级研制的过程中，美国宇航局也在考虑阿波罗计划的方案。随着计划的展开，冯·布劳恩等人发现，对运载火箭的需求越来越大。半人马座上面级的研制进展让美国宇航局开始研究，如何研制一种推力达到890千牛的发动机。1959年，土星运载火箭评估委员会得到正式授权，从5家投标公司中选择大推力火箭承包商。1960年6月1日，委员会批准洛克达因公司开发“以液氧和氢为推进剂的高能火箭发动机，称为J-2”。1960年9月，美国宇航局授出了研制合同，也是第一个明确要求设计“确保载人飞行的最大安全性”的合同。洛克达因公司动作迅速。第一个实验部件也就是发动机的燃料喷射器，在合同签署后两个月内就生产出来了。发动机部件的测试于1960年11月在洛克达因公司的圣苏珊娜试验场开始进行，还涉及到真空室和全尺寸发动机测试台。发动机的涡轮泵于1961年11月进入测试，点火系统于1962年初进入测试。液氢的麻烦在于，氢分子尺寸很小，容易钻进金属晶体的缝隙里，造成氢脆现象，导致材料失效。在1962年5月的首航中，半人马座A上面级的液氢部分破裂，导致在发射54秒后爆炸，火箭炸成一团火球。这次失败甚至导致冯·布劳恩也对液氢失去了信心。因为半人马座上面级也要作为奔月的上面级用在阿波罗工程上。但有些人认为，即使液氢如此危险，也值得试一试，因为高比冲带来的效益太明显了。最后，时任美国总统肯尼迪要求美国宇航局解释，为什么要搞这样危险的燃料。当他听懂科研人员的解释之后，要求他们继续干下去。因为“驯服液氢”不仅仅决定了阿波罗工程的成败，也决定了后续美国能不能发射大型军用卫星。美国宇航局和洛克达因公司于1962年夏天签署了合同，要求生产55台J-2发动机以支持土星火箭建造。1962年10月，J-2的第一台原型发动机实施了完整的250秒试运行。此后，RL-10和J-2同步推进。J-2于1963年5月投入生产。1963年11月26日，改进后的半人马座B上面级飞行获得了成功。但是之后的半人马座C上面级在1964年6月30日、12月11日和1965年3月2日3次飞行失败了两次。再次改进的半人马座D上面级终于取得了完全成功，这已经是1965年8月11日了。第一台量产J-2发动机于1964年4月交付，在加利福尼亚州萨克拉门托附近的道格拉斯测试设施的S-IVB测试台上进行了静态测试，并于1964年12月进行了第一次持续时间410秒的全程静态测试。测试一直持续到1966年1月，特别是一台发动机在连续30次点火中成功，3774秒的总燃烧时间几乎是飞行要求的8倍。1966年2月26日，J-2发动机在土星1B火箭上进行了第一次飞行，运送阿波罗飞船的乘员舱和服务舱进入轨道，取得圆满成功。1966年7月，美国宇航局确认了到1968年的J-2发动机生产合同，共计155台。液氢液氧发动机正式成为航天主流动力，开创了新的时代。此后，航天飞机、SLS火箭、欧洲阿里安5火箭、日本H2火箭等型号先后采用液氢液氧动力。猎鹰9火箭是当今唯一能够回收和重复使用的航天轨道级运载工具。虽然它还只能回收第一级和整流罩，放弃第二级，但已经向业界证明，火箭可重复使用是必由之路。因此，诸多火箭制造商正在努力，开发自己的可重复使用型号。但是，猎鹰9火箭并不是第一个尝试可重复使用的，甚至不是第一个投入业务运行的。它的重复使用程度也不是最高的。在它之前，有另外一个型号实现了业务化的可重复使用，只是经济上并不划算，这就是著名的航天飞机。航天飞机总体上可以分为3个大的部分：轨道器、固体助推器、外置燃料箱。其中，前两个部分都可以重复使用，只有黄色的大型外置燃料箱用一次扔一个。从航天飞机的飞行模式看，可以称为一级半入轨。固体助推器和主发动机联合推进的阶段可以认为是一级火箭在工作，助推器分离后可以认为是上面级入轨。那么从回收角度看，作为一级的助推火箭以及兼具一级和上面级功能的轨道器都回收重复使用了。这比马斯克仅仅回收火箭一级，实际上走得更远。但是，正因为走得太远，想要回收复用的部分太多，导致航天飞机设计过于复杂。在每个固体火箭上，都设置了回收降落伞，增加了发射前准备和回收后处理的复杂程度。回收过程本身也很麻烦。助推器伞降到海面后，需要专门训练的潜水员前往现场，冒险潜入底部，用一个大型软质塞子把发动机喷管堵住，避免进水，然后小心拖回港口。这样的工作，需要好几位潜水员合作完成。检查清理之后，送回制造商，拆开各段，重新灌注固体装药，然后再用环形夹、挂钩等器材拼接在一起，中间用环形橡胶密封圈隔开，用耐热腻子密封，才算完成一个使用循环。轨道器本身的最关键技术当然就是回收本身。人们对航天飞机的返回过程已经比较熟悉，它需要从低轨道再入大气层，用隔热瓦经受住剧烈的气动加热，逐步降低到可以在跑道上降落的程度。机轮触地之后，还需要展开减速伞，帮助轨道器停下来。航天员出舱后，要对隔热瓦进行详细检查，更换破碎部分，才能再次使用。当然还要对发动机和控制系统进行全面的检查和翻修。通过这些流程，实现了航天飞机的多次可重复使用，是人类航天发射史上的一个颠覆性成就。但是，航天飞机并没有做到航班化，也没有保证安全。两次事故意味着，今天的技术可能还不支持助推器加主体的全面回收。苏联的暴风雪号航天飞机和马斯克的猎鹰9火箭都可以认为是退而求其次的选择。暴风雪号航天飞机并不具备美国航天飞机那样的主发动机，完全靠能源火箭推动入轨。而能源火箭是不能重复使用的。暴风雪号航天飞机其实仅仅是回收了火箭的有效载荷而已。美国的X-37B也采用了相同的概念。猎鹰9火箭相当于半个航天飞机回收方案，不过它放弃了降落伞回收方案，改用动力回收、硬质表面支腿着陆，也算是在继承之中的创新。我们也可以认为，从航天飞机开始的运载火箭可重复使用，这个技术颠覆的过程还没有彻底完成。马斯克正在星舰飞行器上尝试完全可重复使用，如果完全成功，这个技术颠覆过程才算功德圆满。
