SpaceX是如何做到重用火箭的?

SpaceX是如何做到重用火箭的?
2020年06月13日 08:43 新浪科技

  文/新浪财经北美专栏作家 魏欣

  摘要:SpaceX的历史性的壮举不但意味着可回收火箭在经济性和安全性上全面超越了航天飞机和之前的土星5号火箭,也代表着美国开始更多用私人公司承接以前由政府部门主导的宇宙探索任务。

  在美国停止从本土进行载人航天9年后,SpaceX公司于5月30日从佛罗里达州肯尼迪航天中心的39A发射平台向国际空间站成功运送了两名宇航员。经过19小时小时的飞行,龙飞船与空间站准确对接[1]。未来,随着火箭回收和重用技术的成熟和商业竞争的加剧,发射成本有可能会使快速下降。更多太空技术将会在很多方面服务人类。

  从2011年向公众宣布他们的可回收火箭发展计划开始,SpaceX公司花费了约四年时间才在2015年实现了一级火箭软着陆。之后又经历了两年时间的实验,他们着陆成功率才显著上升。在接近5年的着陆实验中,他们不断的应用了更多新技术,也积累了丰富的经验。迄今为止,他们成功完成了53次一级火箭软着陆,进行了36次二手火箭发射。他们最快速的一次火箭回收翻新并投入第二次发射只需要不到63天。现在被翻新次数最多的两枚火箭B1048和B1049分别被发射了5次[2]。那么SpaceX是如何做到回收火箭的?被回收的火箭能够被重用多少次?未来还会有哪些技术进步呢?

  为了能够达到重用火箭的目的,SpaceX公司必须要能够在发射任务完成后能将一级火箭准确导航至预定场地,然后成功降落回收。他们先在“蚱蜢”火箭上开发低空环境下的垂直起降技术。这种被命名为“蚱蜢”的小型火箭装配有和猎鹰9号一样的梅林发动机。通过矢量推力和油门控制技术,它可以蹿升至一定高度,在空中悬停,并精确降落至另一地点。如果垂直起降技术能够获得成功,就可以避免使用伞降技术,然后再从海中打捞火箭的窘境。在2013年10月的最后一次测试中,“蚱蜢”火箭从740米的高空安全降落[3]。在掌握这一技术后,SpaceX在2013年至2015年的多次猎鹰9号发射任务中进行了应用。遗憾的是,早期的导航误差达到10公里,完全无法达到回收的目的。但是他们在不断的失败中收集了大量数据,逐步把误差缩小到仅仅10米。直到2015年12月22日的一次11颗卫星的发射任务中[4],他们才最终成功让火箭软着陆。

  在实现火箭回收任务的过程中,SpaceX应用了很多项重要技术,对原有设计不断改进。他们在火箭尾部喷嘴上应用了矢量推力技术。这项技术在很多军用飞机上也有应用。通过控制尾部火焰的喷射方向来改变火箭的飞行方向和姿态。与传统火箭不同的是,可回收火箭的发动机把二级火箭送入太空之后,在返回着陆场的过程中需要再点火两次来实现动力减速。所以梅林发动机必须要在高空和超音速的状态下具备二次点火功能[5]。2015年开始,猎鹰9号火箭在原有基础上增加了顶端的四个可折叠栅格翼。这些栅格翼在50年代由苏联导弹专家发明[6],具备气动控制能力。它们在发射过程中保持折叠,在下降过程中,它们会自动打开,通过偏转方向来精确控制火箭返回时的飞行轨迹。

  为了让发射成本下降,猎鹰9号火箭必须要能够缩短其翻新周期,让它在短时间内恢复发射状态。在2018年5月11日孟加拉国通讯卫星的发射任务中[7],他们使用了最新的Block 5型猎鹰9号火箭[8]。这种火箭对已有型号进行了比较重要的几项改进。原来的铝合金栅格翼被更换为钛合金材料。这样可以抵御重入大气层产生的高温,避免回收之后还要重新更换。比较容易在返回过程中遭受损伤的部件,如发动机隔热罩和着陆支撑架也使用了新的设计。业界普遍认为,这次改进让发射成本下降到只有之前的十分之一。但即使这样,也只是让翻新周期从之前的356天下降到107天[9]。已经退役的航天飞机曾经只需要55天[10]的翻新周期就可以投入第二次发射任务。由于1986年挑战者号的失事,美国宇航局对航天飞机的翻新工作增加了很多新的规定。之后完成一次翻新仍然只需要不到100天,但是需要宇航局约9000名工作人员的参与。这也就决定了航天飞机的发生成本远远高于传统火箭和现在的可回收火箭。

  在猎鹰9号被成功回收之后,SpaceX需要把它运送回自己的厂房进行检测和翻新。火箭先被从着陆场装载到拖车上,送回公司厂房。在那里着陆支架会被人工方式取下,然后开始进行翻新工作。9台梅林发动机会被严格检测,确保它能够在下一次飞行中正常工作。按照马斯克的介绍,梅林发动机未来将会达到不需要大修就可以安全飞行1000次的目标[11]。燃料箱和压力容器要进行超声波检测,确保上一次飞行没有导致它们产生损伤。如果这些部件存在裂缝,将会在下一次加注燃料的过程中产生泄漏。在所有翻新工作都已经完成之后,这枚二手火箭会被运送到发射台。宇航局还会再进行一次静态点火实验,确保所有发动机能够正常工作。如果一切正常,有效载荷才会被装载到火箭顶部,为下一次发射做好准备。由于火箭翻新还是一个未知领域,他们需要通过每一次的发射任务来完善工序。

  现在,SpaceX希望进一步简化火箭的翻新工作。虽然猎鹰9号理论上可以执行100次发射任务,但是公司在目前只打算让它们最多飞行30次,之后就会被销毁。未来,他们希望能够拥有20枚火箭的库存;然后让火箭变得像普通飞机一样,只要经过简单的检测就可以在24小时内迅速投入第二次飞行。

  在6月8日给所有员工的信中,马斯克认为公司的首要任务是加快星际飞船(Starship)的研发工作[12]。按照设计,星际飞船将会是完全可重用的。它将被主要用于月球和火星登陆的发射任务。他们正在德州的Boca Chica开发其原型机,并且已经经历了四次重大挫折,计划在2021年能够开启星际飞船的首次商业飞行。如果这些目标都能实现,星际飞船还可以被用于在地球上的快速旅行。它将可以使人们能够在一个小时之内达到地球上的任何地点。

  虽然人类在征服太空的道路上还存在很多技术障碍,但是近几年人们热情已经达到了阿波罗登月以来的高峰。SpaceX的历史性的壮举不但意味着可回收火箭在经济性和安全性上全面超越了航天飞机和之前的土星5号火箭,也代表着美国开始更多用私人公司承接以前由政府部门主导的宇宙探索任务,运用市场的力量来推动科技研发将会是以后太空开发的发展方向。

  [1] “Updates - SpaceX.” 30 May. 2020, https://www.spacex.com/updates/crew-demo-2-mission-update-5-30-2020/. Accessed 8 Jun. 2020.

  [2] “SpaceX Stats.” 27 May. 2020, https://www.spacexstats.xyz/. Accessed 8 Jun. 2020.

  [3] “蚱蜢火箭- 维基百科,自由的百科全书.” https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9A%B1%E8%9C%A2%E7%81%AB%E7%AE%AD. Accessed 10 Jun. 2020.

  [4] “Wow! SpaceX Lands Orbital Rocket Successfully ... - Space.com.” 22 Dec. 2015, https://www.space.com/31420-spacex-rocket-landing-success.html. Accessed 10 Jun. 2020.

  [5] “SpaceX Merlin - Wikipedia.” https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceX_Merlin. Accessed 10 Jun. 2020.

  [6] “Grid fin - Wikipedia.” https://en.wikipedia.org/wiki/Grid_fin. Accessed 10 Jun. 2020.

  [7] “SpaceX launches Bangladeshi satellite on debut Block 5 ....” https://spacenews.com/spacex-launches-bangladeshi-satellite-on-debut-block-5-falcon-9-mission/. Accessed 10 Jun. 2020.

  [8] “SpaceX Falcon 9 Block 5 rocket may be a launch industry ....” 11 May. 2018, https://www.businessinsider.com/spacex-falcon-9-rocket-block-5-2018-5. Accessed 10 Jun. 2020.

  [9] “Just How Reusable is SpaceX‘s Falcon 9 Rocket? | Space.” 11 Aug. 2019, https://www.labroots.com/trending/space/15412/reusable-spacex-s-falcon-9-rocket. Accessed 10 Jun. 2020.

  [10] “Gentlemen‘s Hours: Remembering Atlantis’ STS-66 Mission ....” https://www.americaspace.com/2019/11/03/gentlemens-hours-remembering-atlantis-sts-66-mission-25-years-on-part-1/. Accessed 10 Jun. 2020.

  [11] “The wild physics of Raptor: SpaceX‘s methane ... - Wired UK.” 31 Jul. 2019, https://www.wired.co.uk/article/spacex-raptor-engine-starship. Accessed 10 Jun. 2020.

  [12] “Elon Musk email to SpaceX employees: Starship is the top ....” 7 Jun. 2020, https://www.cnbc.com/2020/06/07/elon-musk-email-to-spacex-employees-starship-is-the-top-priority.html. Accessed 10 Jun. 2020.

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