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猎鹰9号最终版静待点火,铺平火箭快速复用之路

一枚全新的猎鹰9号火箭,箭芯编号1046,竖立在了美国得克萨斯州麦格雷戈的试验场,准备在本周进行静态点火试验。虽然看起来远没有上个月首飞的重型猎鹰火箭那么酷炫,但这枚火箭的现身对于SpaceX来说,可谓意义重大,将是该公司在快速廉价火箭复用这条道路上即将迈过的又一块重要的里程碑。

竖立在麦克雷戈测试场上等待静态点火试验的这枚火箭,是SpaceX的第一枚最终版本猎鹰9号。图片来源:SpaceX

为什么这枚火箭意义重大呢?因为这是第一枚所谓的“第5批次”猎鹰9号火箭,也是猎鹰9号火箭的最终版本。想弄清楚“第5批次”是什么意思,还得从猎鹰9号火箭的演进历史说起。

首次亮相的1.0版

自2010年首次亮相以来,作为SpaceX的旗舰级火箭,猎鹰9号经历过多次重大升级,特别是在燃料罐和发动机方面。

首次亮相时,猎鹰9号看起来跟今天有很大的不同。最明显的区别是,它的9台发动机当时还排列成3×3方阵,燃料罐也比今天的猎鹰9号短了许多。当时它的一级火箭使用了9台默林1C发动机,二级火箭则使用了一台对真空环境优化过的默林1C发动机。这些发动机的设计都借鉴自SpaceX早期的猎鹰1号,只是稍稍作了一些改进。

被称为“1.0版”的猎鹰9号火箭只发射过5枚,全部用来发射龙式飞船或者龙式飞船的模拟舱进入低地球轨道。

这是一枚“1.0版”的猎鹰9号火箭,可以看到尾部的9台发动机排列成3×3的方阵,跟现在的猎鹰9号完全不同。图片来源:SpaceX

尝试回收的1.1版

为了能够运送更多载荷进入轨道,让猎鹰9号在潜在客户眼中变得更具吸引力,SpaceX研制了新的“1.1版”猎鹰9号,并于2013年开始发射。与1.0版相比,1.1版火箭经过了多项改进,最主要的变化是升级了一二级火箭的发动机,从之前的默林1C换到了更新、威力也更大的默林1D,还拉长了一二级火箭的燃料罐。一级火箭上9台发动机的排列方式,也改成了现在这个样子——1台发动在中心,其余8台围成一圈。

1.1版猎鹰9号还给SpaceX带来了一种新的可能性,那就是火箭的回收和重复使用。得益于燃料罐的拉长和发动机的升级,在一些要求不高的发射任务上,猎鹰9号有足够多的剩余燃料可以来尝试一级火箭的反推着陆——先是在开放海域,后来则是在经过加固的无人驳船上尝试。

供一级火箭在海上着陆的无人驳船“看看说明书”号。图片来源:SpaceX

SpaceX曾希望,用类似一级火箭回收的方式来回收二级火箭,但这个目标后来一直被搁置。SpaceX的总裁格温·肖特韦尔(Gwynne Shotwell)在2017年底说,SpaceX将在2018年尝试“把二级火箭缓缓降落到海上”。肖特韦尔后来表示,“我们不会重复使用二级火箭,但我们会尝试把它们带回家。”

猎鹰9号的1.0版在头两次发射中也尝试过一级火箭的回收,但使用的方式完全不同。当时的一级火箭配备了降落伞,尝试在大西洋上降落。然而,这些尝试最终没能成功,由于一级火箭太重太快,降落伞都被扯破了。

1.0版火箭回收失败后,SpaceX决定换用反推着陆的方式。为了避免早期尝试失败可能会损坏驳船,最初的几次反推着陆在开放海域进行,来模拟在驳船上着陆。

猎鹰9号一级火箭在海上尝试软着陆的模拟图。图片来源:Nathan Koga

不出所料,第一次开放海域的着陆尝试没能成功。不过,在第二次尝试中,SpaceX设法让一级火箭实现了定点软着陆。

艰难回收路

在进行了更多次的海上着陆尝试后,SpaceX开始在真正的驳船上尝试一级火箭着陆。第一条驳船被命名为Just Read The Instructions——“看看说明书”号。

第一次尝试在船上着陆,是在CRS-5任务(即给国际空间站的第5次商业货运任务)当中,不过那次着陆没有成功。一级火箭上部可以展开来控制下落方向的栅格翼,由于传动装置里提供液压的液体提前耗尽,导致一级火箭失去控制,最终坠毁在了驳船上。

第二次尝试着陆则是在CRS-6任务期间,结果一级火箭的9台发动机里,中间那台的节流阀被卡住了。这意味着,这台发动机无法进行快速机动,导致火箭在落向驳船的过程中出现摇晃。这枚火箭倒是着陆在了船上,但水平方向速度太大,导致它侧翻倾倒,随即爆炸。

在CRS-7任务之前,SpaceX派出了全新的另一条驳船,命名为Of Course I Still Love You——“当然我还爱你”号,尝试进行船上着陆。不过,由于这枚猎鹰9号火箭在发射时发生故障导致解体,这次着陆没有能够进行。

直到2015年12月21日,SpaceX才终于首次成功着陆了一枚一级火箭,把它落在了卡纳维拉尔角的1号着陆区。2016年4月8日,他们在“当然我还爱你”号驳船上成功实现了第一次海上着陆回收。

第一枚成功回收的猎鹰9号一级火箭,着陆在卡纳维拉尔角的1号着陆区。图片来源:SpaceX

到目前为止,SpaceX已经尝试了28次回收,成功着陆了23枚一级火箭。

现役的全推力版

为了能够在要求更高的发射任务中也回收一级火箭,同时为了能够发射更重的载荷,SpaceX开发了猎鹰9号的全推力版,有时也被错误地称为“1.2版”。与1.1版相比,全推力版最显著的区别在于二级火箭变长了,推进剂变稠了,发动机也进行了进一步的升级。这些升级结合在一起,使得猎鹰9号的低地球轨道运载能力几乎翻番,而且能够在地球同步转移轨道的发射任务中回收一级火箭。

全推力版还改进了着陆腿和栅格翼的设计,进行许多结构改善,整体重量也减轻了。

自2015年年底首次亮相以来,猎鹰9号全推力版经历过几个“批次”的改进。从2016年到2017年,全推力版从第1批次慢慢改进到第4批次。第一枚重复使用的火箭是第2批次的,箭芯编号B1021。

2016年底到2017年初,伊隆‧马斯克(Elon Musk)批露了猎鹰9号新的最终版本,称为“第5批次”。

不同版本的猎鹰9号火箭,和重型猎鹰火箭的对比。图片来源:维基百科

第5批次,为载人而生

SpaceX对第5批次的猎鹰9号进行了多项改进,包括重新设计了复合材料缠绕压力容器(COPV)和默林1D发动机上的涡轮泵——前者存在隐患,曾导致一枚猎鹰9号火箭在发射塔架上爆炸;后者则在发射和高强度地面测试后出现过裂缝。

之所以要重新设计修正这些隐患,是因为第5批次的猎鹰9号将承担起载人龙式飞船的发射任务,这就要求火箭的设计必须达到和超过最严格的NASA载人发射要求。按照NASA的要求,在第5批次的猎鹰9号火箭定型之后,SpaceX必须“冻结”配置不得再作更改,并且进行至少7次发射成功,然后才会被允许用来进行载人航天发射。

不仅如此,第5批次的猎鹰9号还将肩负起SpaceX快速廉价复用火箭的梦想。此前的猎鹰9号火箭发射,虽然回收几乎已经要成为常态,但仍然属于试验性质。回收下来的火箭,也确实有几枚进行过二次发射,但这并不是真正意义上的重复使用,毕竟这些火箭回收之后还需要经过长达数月的检修和翻新,而且无法保证还能够进行第3次发射——这也是最近几枚第3批次的猎鹰9号火箭在二次发射后便不再回收的主要原因。

第5批次的猎鹰9号火箭,正是在此前这么多次回收和复用试验的基础上,对火箭的设计进行优化和升级而来的最终版本。除了要满足NASA严格的载人发射要求以外,它还有另一个目标——在几乎不作整修的情况下至少重复发射10次,而在定期维护的情况下能够重复发射100次以上。

可以说,第5批次的猎鹰9号才是真正意义上能够快速廉价重复使用的运载火箭

第一枚第5批次的猎鹰9号火箭,从外观上就能看到许多不同。图片来源:Gary Blair

快速复用的梦想

与前几个批次相比,第5批次的猎鹰9号最明显的区别在于外观——箭体上一些最敏感和关键的部位被涂装成了黑色。这些黑色涂装由一种称为Pyron的超级耐热材料构成,覆盖在以往回收火箭表面最容易被烧灼的区域。不仅如此,箭体侧面一些管线的表面也覆盖了这种材料。有了这层防护,猎鹰9号的关键部位在火箭返回大气层时,将与外界高达1200℃的高温彻底隔绝。

钛制栅格翼,是第5批次猎鹰9号的另一项重要升级。此前的猎鹰9号火箭大都使用铝制栅格翼,它们在火箭重返大气层时展开,用来引导火箭下落的方向,同时也承受着大量的热量。在一些速度较高的火箭回收尝试中,直播画面里甚至能够看到铝制栅格翼在高温下开始部分熔化。而钛的熔点要高得多,完全不会出现这样的问题。在重型猎鹰首飞时,侧面的两枚助推火箭上就已经使用了钛制栅格翼。

而最重要的一项升级是针对底盘的。火箭底盘不仅需要可靠地传递9台默林1D发动机产生的近200万磅(大约900吨)推力,在火箭回收进入大气层时,面对高温高热,底盘也不得不首当其冲。在第5批次之前,猎鹰9号的底盘使用的是一种烧灼型隔热材料,类似于龙式货运飞船的绝热罩。因此,在每次发射和回收之后,都必须仔细检查和替换隔热材料,才能准备下一次发射。而在第5批次的火箭上,底盘的隔热材料换成了一种耐超高温的金属合金,称为inconel,不再需要每次都仔细检查和替换,省了下最耗时间的一项整修任务。

第5批次的猎鹰9号火箭重返大气层减速准备着陆的场景,目前只是艺术画,相信很快会成为现实。图片来源:brickmack

结合这些升级,最终版本的猎鹰9号火箭在回收复用时将比之前的火箭轻松许多。有了这样的火箭,再加上SpaceX正在尝试的整流罩回收,该公司很可能会实现伊隆‧马斯克之前提出的目标——把航天发射的成本降低到原先的1/10。

现在,第一枚第5批次的猎鹰9号火箭,已经竖立在了麦格雷戈的试验场上等待点火试验。它的第一次发射,暂定于2018年4月,将从肯尼迪航天中心的39A号塔架,把Bangabandhu-1通信卫星送往地球同步轨道。

或许这次发射不会像重型猎鹰首飞那么引人注目,但在迈向廉价、快速、可重复发射这一目标的道路上,这很可能是SpaceX跨出的最重要一步。(编辑:Steed

The End

发布于2018-03-02, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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