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必一体育:唐驳虎:天兵科技已道歉通报里还有这几点值得探究

发布时间:2024-12-24 12:03:37 来源:必一B体育下载 作者:必一体育app官方 浏览人数:

  1. 7月2日,天兵科技就天龙三号液体运载火箭一子级火箭试验故障致歉。对于上一篇所说的缺少钢索约束系统,天兵科技回应称,因没有空间布置类似SpaceX的连地钢索方案,采用了其他连接方法,而连接处结构失效的详细原因正在调查。

  2. 根据天兵科技的说明与详细计算,天龙三号设置了试车台紧固件与拉锁装置作为保险措施,但由于点火试车时的振动冲击、热负荷较大,这些装置在火箭点火瞬间失效,导致一子级意外。这是简单的还原,关于这次事故还有更多深层问题有待探究。

  3. 天兵和所有商业航天公司竭力对标的SpaceX,在过去20年、总数近千次的全推力静态点火测试中,无论是第一代试车台纯螺栓、第二代试车台的螺栓-拉锁-钢索三联保险,还是第三代面对10倍推力巨型星舰的20部锁紧承载装置,约束装置都没有出现问题。这是国内民营火箭的第一次一子级全推力试验,就出现事故,具体原因值得分析和总结。

  继续来谈谈2024年6月30日天龙三号火箭试车意外升空的情况。有人说,上一篇文章的标题和引用,有点太无厘头了。这还是严肃的新闻评论吗?

  上一篇主要是指出,天龙三号火箭意外升空,除了连接结构失效,还在于一个重要的保险措施缺失,那是没有钢索约束系统。

  上一篇先是引用了一个流传的段子,老总没买钢索云云。但原文随即就评价和辨析指出:这听上去好像是编的段子,但是实际约束系统就是没有通过考核。

  而且从天兵科技之前发布的照片看,在火箭箭体顶部,的确并没有钢索约束装置和地面相连。看来短时间内也很难加装。

  从通报看,也是说箭体和火箭试验台之间的连接结构失效,那么意味着,这次天兵科技火箭试车的确没有钢索约束系统。不是没买,也不是没买够,就是没有。

  当然还有网友很认真地指出:巩义是个工业城市,恒星科技钢绞线产量占全国三分之一,还是国内特种钢丝第一股,巩义是全世界最不缺钢丝绳的城市。

  而真正权威的还是天兵科技方面,特地发过来的详细回复和解释:制定天龙三号一子级试车方案时,设计人员多角度考虑了箭体约束措施。

  其中也参考了SpaceX的试车方案,例如钢索约束。但是由于试车台位置所限,一侧为山体,正向为导流槽及水池。

  受限于空间以及地基原因,会导致钢索布置的方向、数量不均匀。万一失效,箭体原地倾倒,后果不堪设想。

  所以,设计人员只能通过计算通过箭脚与试车台连接。并在试车台上追加8根拉锁装置,与尾部箭脚加强固定连接。

  所以确实情况就是天兵科技公司认为,没有空间布置类似SpaceX的连地钢索方案。确实没有设计钢索,这也是我们进一步讨论的前提。

  我们这一篇主题首先也不是聊天兵,而是聊天兵和所有商业航天公司竭力对标的对象——SpaceX,那个人人都自以为对它很了解的SpaceX。

  从细节谈起,其实在上一篇,就简单介绍了SpaceX猎鹰-9号一子级(火箭第一级、最下边一级)全推力试车的情况。

  从照片来看,除了把火箭底部和测试台紧密相连的地锚螺栓外,还有四根长长的拉锁装置,从发射台直接连通火箭顶部的配重压仓,配重压仓用于模拟上面级的重力。

  除了这两道束缚装置之外,还有四组(每组多根钢索)以较大的斜度通向四周地面上的锚固点,提供了第三道保险。螺栓、拉锁、钢索,三重保险,可见安全措施是非常完善的。

  不过,SpaceX也不止猎鹰-9号这一款产品,在20年的研制周期里,也有过其他不使用拉索的方案。应当全面叙述,才能有一个完整的了解和理解。

  2003年,刚刚成立的SpaceX就在得克萨斯州的麦格雷戈(McGregor)租下一大块地,专门用于测试火箭发动机。

  麦格雷戈位于得州州府奥斯汀以北约100公里、达拉斯西南约160公里。SpaceX 的这块地面积高达4280英亩,也就是17.32平方公里,相当于超过4公里见方。

  过去20年,麦格雷戈基地一直是SpaceX公司自研的梅林(Merlin)发动机和猛禽(Raptor)发动机最主要的试验研发和测试场所,每台发动机都要在这里进行测试。

  2005年5月27日,单发梅林1发动机的猎鹰1,在加州范登堡空军基地进行首次静态点火试车,持续时间5秒。而之后的发动机测试工作就转到了麦格雷戈。

  SpaceX在这里最先修建了一个“三脚架”(Tripod)垂直试验台,外观形似一个超大的三脚架。先后开展了猎鹰-9号一子级的发动机组合及半箭系统测试。

  2008年8月1日,首次九机完全推力、但非全程时长的测试,VTS3-018,采用完全状态的梅林1C发动机。试验总推力385.5吨。

  2008年11月22日,首次全任务剖面时长、全推力、九发点火测试,VTS3-027,消耗227吨推进剂,总推力387.8吨,工作时长178秒。

  9台梅林1发动机中的2台在160秒后按计划关闭,测试时序与真实飞行相同。这时的原型火箭用大型螺栓和销钉固定在三脚架试验台上。这是SpaceX试车的第一代。

  猎鹰9号在火箭底部预留了四个结构固定接口,起竖、试车与发射时,都有一套专门的连接装置进行固定。

  “三脚架”垂直试验台设计的可承受推力为当时猎鹰-9推力的3倍,也就是接近1200吨。所以也没有加装钢索保险装置。

  为改进实验条件,SpaceX先后在三脚架试验台的顶部加装了一个工作塔,以便工程师和工人靠近箭体进行作业,设施总高度达到了83米。

  为满足发动机的研发需求,对可重复使用性的验证和科研需求,包括9台乃至33台发动机并联工作带来的性能测试和验收实验量需求。麦格雷戈基地进行了大量的发动机试验测试。

  截止2015年3月,这里7年多已经进行了4000多次梅林发动机测试,其中包括大约 50 次、九台发动机并联组合的猎鹰-9一子级点火试验。

  但是“三脚架”的高架设计,使得每次吊装拆卸高空作业都会很繁琐。随着试验任务的快速增加,SpaceX新建了一个新的半地下试验台。

  新试验台挖掘了庞大的地下导流槽,能够承载更大推力。而安装平面与地面平齐,也大大便利了装卸工作。

  同时配套一个1900立方米的高架水塔,排水管直径1.8米,可在90秒内排空,每秒流量超过21吨。

  从这个新试验台开始,麦格雷戈的大多数新建试验台都会使用大规模的喷水系统,以降低火箭发动机试验时产生的巨大噪音。

  2016年后,猎鹰-9的一子级半箭试验转移到这里进行,这就是较常见的猎鹰-9全推力试车场景:地锚螺栓+四根发射台长拉锁+四组地锚拉索。

  三道保险组合,确保即使是九台最新梅林-1D发动机(单台海平面推力82.8吨)的总推力745吨,也无法撼动半分。

  猎鹰-9火箭一子级全程热点火试车的时间为150秒(两分半钟),创建出更真实的测试环境。这项测试不仅安排在猎鹰-9火箭出厂前,也会在回收后复飞前进行。

  与备受瞩目的霍桑总部和博卡奇卡发射基地相比,德克萨斯州的麦格雷戈(McGregor)试验基地相对就太默默无闻了。

  三个地点分别对应着SpaceX成功的三大与众不同法宝:颠覆式创新、试错式迭代、试验全覆盖。颠覆式创新、试错式迭代,这两点对稍微了解SpaceX的人都很熟悉了。

  而麦格雷戈试验基地的幕后工作——试验全覆盖,就非常鲜为人知。而这却是支撑SpaceX从创立走到现在,快速、稳健、跨越式发展的基石。

  2019年,SpaceX对闲置几年的三角架试验台进行了改造,用于“星舰”的猛禽发动机(液氧-甲烷燃料)垂直测试,并拆除了以前用于猎鹰一子级火箭作业的塔架。

  除了箭体子级整体推进测试,麦格雷戈试验基地还有多个单体发动机试验台。包括梅林发动机试验区(至少5个垂直试验工位)、猛禽发动机试验区(至少5个垂直试验工位)。

  “猎鹰-9”、三并联的“重型猎鹰”,从发动机到一子级动力系统整体的地面测试,还有箭体结构验收测试都在这里进行。

  SpaceX公司密集的商业发射日程、动力系统9台、27台甚至33台发动机并联工作的设计特点,以及快速迭代改型的研发需求,对发动机试验的频次和总量的需求很大。

  但是到了SpaceX公司目前研制的新一代巨型火箭“星舰”,火箭一子级动力系统的整体测试,就转移到博卡奇卡发射基地的发射台上进行。

  一是“星舰”的体量、推力(7600吨)远远大于“猎鹰-9”(745吨),二是“星舰”的不锈钢箭体生产、组装都在博卡奇卡当地完成。

  “星舰”完全体是一个高达120米,起飞重量超过5000吨的巨型火箭。一子级“超重型助推器”也高达70米、3000多吨,并联33台“猛禽”发动机,总推力7600吨。

  2023年2月9日,“星舰”一子级在博卡奇卡的发射台上首次点燃了发动机。实际一共启动了31台发动机,点火持续将近15秒,产生了7130吨推力。

  如此巨大的推力,那火箭如何固定在发射台上呢?由此,SpaceX工程师设计和建造了一个庞大、复杂、精巧的星舰高架发射台(OLM)。

  在高架发射台上,沿着直径约10来米的火箭喷口圆环(星舰箭体直径9米),布置了20部支撑、承载、锁紧和快速断开装置。

  当一级空芯箭体吊装到发射台上时,20部装置的支撑臂就会把它支撑、压紧。机构与火箭承力位置分别对应着火箭一子级的20个外环发动机。

  每部装置旁边,还有另一个可活动机构,这些是小型快速断开臂,用于对接火箭一子级的20个外环发动机。

  在星舰组装、灌注燃料和发射前,这些支撑臂支撑总重达5000吨的火箭(每部支撑臂承载250吨),把重量转移到周围的钢结构中。

  当星舰一子级在发射台上进行点火实验时,这些支撑臂又能夹住7000多吨的推力扣除3500多吨箭体重量,所产生的3000多吨向上拉力。

  无论是5000吨的火箭重力,还是试验时3000多吨的净推力,20部装置都能使巨大的火箭稳稳地伫立在发射台上。

  而当火箭发射时,一子级所有33台“猛禽”发动机都启动后,这20部锁紧装置就会快速缩回到钢结构发射环,然后火箭升空。

  从星舰历次静态点火和试飞来看,星舰轨道发射台所有装置都非常有效并且可靠,随着星舰更多次的试飞,发射台也在不断改进与迭代。

  对SpaceX来说,在发射前的几天都要进行一子级几秒钟的短时静态点火测试,相当于对火箭动力系统的一次“集体考核”。

  无论是面对猎鹰-9的第一代试车台纯螺栓、第二代试车台的螺栓-拉锁-钢索三联保险,还是第三代面对10倍推力巨型星舰的20部锁紧承载装置。

  然而中国民营航天首枚对标“猎鹰-9”号的火箭,第一次一子级全推力试验,就出现了飞脱、意外升空的危险事故。

  6月30日下午3点43分,天兵科技在河南郑州巩义市综合试验中心,对天龙三号火箭一子级进行九机并联静态点火测试。结果火箭从试车台飞脱,静态点火变成了意外发射。

  大约15秒后,火箭发动机关闭,坠毁到试车台西南方向约1.5公里处山区,剩余燃料(煤油、液氧)爆炸起火,震动在市区可闻,所幸没有造员伤亡。

  根据航天研究者高流的分析和计算,大约在火箭点火后6秒,40米高的一级就开始从烟尘中露头,之后仅过了一秒钟,就完整飞出烟尘。

  估算火箭在这一秒内就上升了近40米。说明火箭只用了6秒半就加速到40m/s,火箭是刚一点火就从试车台上飞脱了,加速度达到0.6个G(0.6倍重力加速度)。

  根据天兵科技公告,9台发动机实际产生820吨推力。而按照0.6个G的上升加速度,再考虑重力本身,计算得出火箭起飞质量大约是 820 / 1.6 = 512吨。

  当前天龙三号的设计起飞总重量为590吨,512吨正好符合一子级的重量。剩余上面的二子级为一台真空型(喷管扩大获得更大推力和效率)发动机及相应燃料。

  这个满载燃料(煤油-液氧)的重量,说明这次天兵科技的测试目标,很可能就是接近全程(约180秒)全推力测试,一步到位。

  天龙三号的发动机是9台天火12,平均单台发动机推力91吨。根据比冲性能和火箭发动机推力公式,估算出每台发动机每秒大约消耗320公斤燃料。

  9台发动机工作170-180秒需要消耗近500吨燃料。而天龙三号火箭箭体本身一级干重估算是24吨(猎鹰9号为22吨),加上燃料差不多也是510吨。

  而网友也迅速找到了天兵科技发布的试车台专利。天龙三号在这方面也借鉴了猎鹰9号,一级也有四个预留的结构连接点。

  根据专利说明书,这套紧固件的设计极限承载能力达到600吨,火箭推力是 820吨。也就是说,只要紧固件工作正常、火箭本身重超过220吨,就飞不起来。

  但是,由于点火试车时的振动冲击、热负荷较大,这些装置在火箭点火瞬间就失效了,被9台发动机820吨的推力迅速突破,推动重约500吨、没有安装飞控系统的一子级意外。

  推测可能是高温和震动导致固定件出了状况,导致失效,火箭直冲云霄,并在工作约15秒、消耗43吨燃料后,抵达距离地面约1500米高度,箭上计算机关机,大部分发动机关机。

  随后在重力作用下下落20秒,剩余的大约450吨燃料(约120吨煤油、330吨液氧)坠落到地面,并被发动机尾焰点燃爆炸。

  另外,试车台的安全冗余保险装置不足,这在上一篇一开始就说过了(“没买钢缆惹的祸”)。而刚才说的这些,只是简单的事故还原。这次事故还有更多深层问题有待探究。