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用火箭送快递,靠谱吗?

昨天,相信不少小伙伴都看到了淘宝发布的“宝箭”计划,虽然这次只是淘宝和蓝箭航天一起开的一次畅想,但事实上,我们的火箭工程师们在很早之前就已经讨论过 “火箭快递”在技术层面的可实现性了。

对于大多数人来说,火箭就是用来发射卫星、飞船、探测器的。可是,自从去年2月,马斯克用“猎鹰重型”运载火箭把一辆特斯拉跑车发射上天之后, 全世界的人们似乎都感受到了商业航天的巨大魅力。无数的航天爱好者们似乎也越来越希望各大火箭公司“不干正事”,好好的搞一些与众不同的东西。用火箭送快递也是其中之一,如果实现了,以后网上购物没准还真能享受一下火箭速度,那么,这个脑洞靠谱吗?

脑洞早已有之

火箭送快递这个脑洞之前确实没人提过,但你不得不佩服人类的想象力,早在1931年,一位奥地利工程师就曾使用火箭(不是点了火的弓箭,而是真正的火箭),成功的将102封信送到了5公里外,并由降落伞辅助着陆,由此开启了邮政火箭的历史。在此之后,欧美各国的邮政火箭纷纷出现,并着实火了一阵,除了信件,它还可以投递包裹,说他是快递其实也不为过。2006年的时候,英国人还专门拍了一部反映此事的电影,就叫The Rocket Post(火箭邮政,或者邮政火箭)。

电影《The Rocket Post》海报

这时的火箭没法和现在相比,顶多也就是个窜天猴的水平,成功了就是邮政,不成功就是烟花。而且,顶多就几公里的距离,与现代火箭直奔太空,导弹直跨洲际的能力相比,简直不够看。直到后来,美国人在1959年真的尝试使用导弹发射一次邮件,跨越700余公里并取得了成功。这或许是历史上效率最高的纸质信件投递,或许也是最贵的一次,反正美国人后来再也没干过这件事,估计是觉得太贵了。因此,现代邮政依然由飞机、火车、轮船和汽车等承担。

随着火箭技术的发展,用火箭送人旅行(不是太空旅行)这个脑洞也逐渐被打开。我国航天之父钱学森早在1944年就提出了一小时内从纽约飞到洛杉矶的火箭喷气式飞机的设想。1949年的《洛杉矶时报》报道:“如果钱学森博士在第四届美国火箭协会全国会议上呈现的数字是正确的,现在人们可以乘坐火箭从洛杉矶到纽约,3000公里的旅程不到1小时就能完成。”

钱学森的火箭喷气式飞机设想

前苏联的科学爱好者们,也开过类似的脑洞。不过,到现在为止,使用火箭发动机推进的飞机,除了航天飞机(严格意义上来讲,我们通常所说的航天飞机是航天飞机系统的轨道器,而真正的航天飞机是包括那个巨大的燃料外贮箱和连个助推火箭的)和一些战斗机上有所应用,在客运领域并没有成功。随着航天飞机的退役,风光不再。

一张火箭飞机的幻想图(图片来源于网络)

而对于货运来说,自从航天飞机退役后,火箭一直是对太空货物运输的绝对主力。但对地运输却一直乏善可陈,更别提送快递这种事情了。

可回收火箭技术让火箭送快递有基础

但是,随着技术的不断发展,用火箭送快递,其实离我们并不遥远。主要原因在于,可回收火箭技术的可行性已经得到了基本的验证。无论是国内还是国外,都在向可回收火箭方向投入力量并有了积极的成果。

最早使用火箭回收技术的是美国的航天飞机,它的两个巨大的固体火箭助推器在燃料耗尽后分离,并由降落伞减速落至海面,经过打捞重新处理后再次应用。

而真正让火箭可回收技术名噪一时的,是SpaceX公司,2015年12月21日晚,Falcon 9火箭在美国佛罗里达州卡拉维拉尔角首次实现陆地回收,创造了人类太空史上第一次利用火箭软着陆实现自主回收的历史,2016年Falcon 9火箭首次实现一子级的海上平台回收,2017年SpaceX又首次实现“二手火箭”的成功发射。2018年的时候,猎鹰重型火箭首飞成功,同时实现了两个助推器的陆上回收,两个助推器就像变形金刚一样从天而降同时落地的场景让世人惊叹。而在此前的2017年,马斯克雄心勃勃的发布了BFR火箭(Big Falcon Rocket),这种基于火箭可回收技术研制的火箭,将被用于火星探测。但马斯克同时也表示了这种时速最高可达2.9万公里的火箭也可以用于洲际快速旅行,可以利用它在一个小时内到达地球上的任何一个地方。按这个速度计算,从纽约到上海大概只需要39分钟。

在马斯克的畅想中 从纽约到上海不足1小时

此外,蓝色起源公司曾经在2015年成功实现了火箭垂直回收。

国内科研单位对火箭回收的试验验证也在进行中,伞降、垂直回收都在试验之列。据媒体报道,相关的运载火箭垂直回收制导控制技术验证试验已经取得成功。

为什么可回收技术的成功就让火箭送快递成为了可能呢?

第一,降低成本用得起。运载火箭的每一次起飞都是一次巨大的资源消耗。燃料成本仅占火箭发射成本的一部分,发射成本的大部分在于一次性使用火箭本身的成本。火箭的贮箱、控制系统惯性器件、发动机等等重要的部组件在工作时候要经历苛刻的环境,为了保证工作可靠性往往工艺复杂,成本较高,而它们的归宿要么是在重返大气层的过程中焚毁或坠毁(一级、二级和助推),要么被钝化处理后送进了太空坟场(三级或者上面级)永远飘荡,也正因为如此,火箭的成本居高不下。目前国际上主流火箭的商业发射报价,一发一次性火箭基本在1亿美元至4亿美元。美国正在研制的SLS发射系统,据称一次发射报价要到10亿美元。这么高的成本用来做物流,恐怕没人会接受。随着火箭可回收技术的发展,有人计算,如果采用这项技术,火箭不再是一次性使用,而是可以多次重复使用,每次发射只需要燃料费用,火箭的发射成本可能降低99%。可以想象,大范围推开后,火箭发射报价甚至有可能降低到百万美元的级别,这还只是报价,论成本将会更加低廉。对于商业航天来说,成本的下降才能带来利润的提高,当成本下降到可以接受的程度时,用火箭来送快递,就不是问题了。

火箭快递关键——可回收技术

第二,改善再入环境保安全。快递的目的是把指定的货物安全完好地送到指定的地点,交给指定的人。但对于运载火箭来说,它的有效载荷目标是太空,而不是地球上的另外一个地点。说的简单一些,就是火箭把一个载荷送到指定地点的上方,然后扔下去就不管了,任凭载荷去经受大气层高速摩擦产生的高温高热,然后落在目标地点上,经受剧烈撞击,方式简单而粗暴,堪比“野蛮装卸”。这样的结果是,即便货品没有毁在高温下,也会在地上摔成渣渣。而火箭回收技术给了我们一个新的选择,那就是可以利用火箭本身作为载具,通过在再入大气层过程中的自主调整和减速,让落地的过程变得缓慢而平稳,实现软着陆,保证货物的完好无损,这也让送快递有了更大的可能。

液氧甲烷 火箭快递的完美动力

目前,大推力液体火箭使用的燃料大多数为液氧煤油,液氢液氧,还有很多火箭使用偏二甲肼和四氧化二氮。

偏二甲肼和四氧化二氮为剧毒推进剂自不必说,而液氧+液氢组合,看起来很美好,但液氢的使用要求很高,且价格极其昂贵,液氢液氧的成本每公斤百元,对于火箭这种推进剂按吨计的大户,简直是吞金巨兽。液氧煤油的性能相对液氧甲烷略低,且适合火箭发动机的煤油为精炼煤油,价格也比甲烷(液化天然气)昂贵的多,同时液氧煤油发动机多次重复使用容易在涡轮泵处积碳,而液氧甲烷发动机没有这种问题,天生适合多次重复使用,因此,液氧甲烷的组合才是经济与性能的最佳平衡。

更适合商业可复用的液氧甲烷发动机

甲烷,家里使用的天然气的主成分之一,来源广泛且成本很低,能做到比液氧煤油的成本低。相对于四氧化二氮这类有毒推进剂,液氧甲烷和不仅无毒安全,其粘度也远低于煤油,因此甲烷在雾化过程中会出现极为细小的液滴,这种状态非常有利于快速持续稳定燃烧。此外,经过试验验证,甲烷是所有烃类燃料组合中,最不容易结焦和积碳的,这对于火箭的可重复使用意义重大。因为,相比于火箭贮箱的重复使用,回收一个干净的的火箭发动机才是最大的成本节约,省去拆装和清洗过程,也是对复用效率和复用成本的显著提升。这对于快递业务来讲,至关重要,不需要拆装清洗发动机,意味着他们可以迅速投入到下一次发射中去,这才是快递公司该有的节奏。

目前,世界各国对于液氧甲烷发动机都十分重视。美国蓝色起源公司研制的BE-4发动机就采用液氧甲烷为燃料,它有可能用来替换目前宇宙神火箭上使用的俄制RD-180发动机,成为新一代运载火箭的动力。SpaceX公司虽然现在还在用着使用液氧煤油的Merlin-1D发动机,但它的下一代火箭已经全面转向液氧甲烷发动机,正在大力研发使用液氧甲烷的Raptor(猛禽)发动机作为未来行星际运输系统的主力引擎。而在国内,蓝箭航天研制的“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机也在紧锣密鼓的研制中,目前已经完成了半系统联合试验。未来的快递火箭,很有可能使用的就是我们的“天鹊”引擎。

火箭运输——不只是快递

我们可以设想一下,未来的快递公司,业务将会遍及全球。而他们运送快递的工具,不是现在的厢式货车和三轮,而是一枚枚火箭。

这种火箭可以分成两级,二级上多了一个货仓,大到跑车,小到纸条全都能装进去。一级火箭在城市边缘的发射场上点火起飞,在飞到130公里左右的高空时,一级火箭自主受控垂直返回地面回收。而二级火箭则点火工作,将货物送入太空,并在在指定地点受控下落。随着下降速度越来越快,火箭二级利用剩余的燃料,控制下落的姿态和速度,防止二级外层的温度过高,最终在落地瞬间将速度降为零实现软着陆,垂直落到指定地点上。收件人就能取到快递了。而距你下单的时间,可能还不足1个小时。而且,卖家会信誓旦旦的保证,美日韩包邮,江浙沪秒到。

可回收技术和清洁能源的运用使火箭货运成为可能

当然,如果真的能够实现这样的技术,不仅仅是运送快递,其实,在很多方面都可以应用得到。比如,抢险救灾时的应急运输,偏远山区和战地物资的补充和投放等。

开了这么多脑洞,其实是想告诉大家,也许航天技术离我们并不遥远,蓝箭航天希望借由今天的“宝箭”计划向更多人普及航天和运载火箭知识,让更多的人了解并参与其中,通过我们的努力,不断拓展商业航天的边界。未来,航天一定会更加贴近每个人的生活。