SpaceX「行星際運輸系統」的演變(二)
主頁菌說
一直以來,伊隆·馬斯克創辦的SpaceX公司都想研製一種能夠廉價輸送人員和貨物前往火星的「殖民飛船」,包含飛船在內的整個系統暫時被稱之為"行星際運輸系統"
(Interplanetary Transport System,下文簡稱ITS,也就是早年的MCT)
。但最近種種消息表明,SpaceX公司這個「一步登天」的計劃有變。公司正在改為認真的設計和籌劃一款具備類似功能,但規模和運力都小一些的「微縮版ITS」。
既不現實,也不合理的
,公司顯然需要一個介於兩者之間的中間形態來進行必要的技術積累和驗證,同時將經費控制在合理範圍內。由於縮微版ITS的具體設計基本要等到今年IAC大會才能曝光,我們應該趁此機會提前溫習一下ITS從構想誕生至今的來龍去脈,所以我們特意遴選了一篇來自國外著名航天論壇的長達數萬字的ITS文章,希望從頭到尾徹底剖析這個「驚世駭俗」的航天系統的前生今世。
原作者
Phillip Gaynor,Dixon通譯全文,FP校對,跆拳道大灰狼排版配圖,今天是第二期。
我們要講的是左三這東西的來歷(好像混入了奇怪的東西)
太空探索技術公司(Space Exploration Technologies)或稱SpaceX公司,成立於2002年6月,其目標是大幅削減進入太空的成本。隨著eBay以15億美元收購PayPal(貝寶),創始人馬斯克(Musk)突然擁有了一筆1.8億美元的巨款來資助SpaceX和其他項目。
2002年SpaceX創辦時的全部」員工「,右三是這家公司的白痴老闆
在四年的碌碌無為後,2006年3月24日,SpaceX終於從廠房推出了第一枚火箭,即獵鷹1號,但是火箭升空後不久就掉了下來,首次試射宣告失敗。同年,SpaceX獲得了來自於美國國家航空航天局(NASA)的國際空間站商業貨運服務研究資金(
主頁君註:這並不是我們常說的Commercial Resupply Service,CRS合同,而是NASA對於「
種子公司
」進行的一種資金扶植,可以理解為NASA給SpaceX的天使輪投資
),用於運力更強的獵鷹9號火箭的研發。得益於NASA對獵鷹9的支持,馬斯克同時取消了較小的獵鷹5號火箭計劃。
獵鷹5號,這是一款只存在於設計圖上的獵鷹火箭,顧名思義,火箭一級布置了5台Merlin發動機
記得這架前些日子刷爆網路的大飛機么,最早獵鷹5號曾經被選做Stratolaunch 發射系統的空射火箭,當然隨著獵鷹5號的取消,這段「姻緣」隨之終止
在決定繼續研發獵鷹9(Falcon 9)之前,
Musk還計劃研發一種名為BFR的」終極「火箭(Big Falcon Rocket,當然也有很多人稱之為Big Fuc-ing Rocke
t
,翻譯君:也是敢想= =),或者是「大到嚇人的火箭」,依照他們的計劃,這將是有史以來最強大的火箭(根據Musk傳記作家Ashlee Vance的描述),專門用來殖民火星。2007年3月21日,第二次獵鷹1號發射失敗。儘管發射是失敗的,但美國國防顧問皮特?本登依舊與Musk進行了一場關於如何前往火星的座談。兩人相談甚歡,而Musk的火星野心也終於開始打動曾經並不看好他的羅伯特?祖布林(Robert Zubrin)。
不幸的是,由於SpaceX的接連發射失敗以及Musk的電動汽車公司特斯拉同時陷入困境,Musk遭遇了前所未有的資金困境。這時,Musk不得不優先考慮必須先送獵鷹1火箭進入軌道並賺取收益來緊急彌補缺口。
2008年8月3日,獵鷹1火箭第三次試射失敗,這真是Musk人生上最黑暗的一天。之後,Musk扒開了褲子,只剩下再發射一次的資金了,如果再失敗,他就破產了。
幸運的是,2008年9月28日的第四次發射是成功的
雖然這次成功減輕了外界對SpaceX的懷疑,但Musk正在經歷一場複雜的離婚案件,同時他的財務狀況也正變得越來越糟糕,因為他的公司在經濟衰退期間流失了大量的現金。最後,他還是奇蹟般的得救了。其中一個是將軟體Everdream出售給特斯拉其他投資者,這幫助Musk籌集了2000萬美元資金,並最終挽救了該公司。
但是,SpaceX的發展仍然需要從外界獲取源源不斷的資金。很意外的,2008年12月23日,SpaceX擊敗了眾多實力強大的競爭者,被NASA授予了16億美元的COTS合同(Commercial Orbital Transportation Services,也就是CRS-1合同),根據合同規定,SpaceX需要利用自己的火箭和飛船系統為國際空間站提供貨物補給服務。
此時,距離SpaceX和特斯拉員工工資發放的最後期限只有幾個小時時間, Musk流淚了,他的火星夢想得救了。
2009年2月,這是本文的一個關鍵節點。SpaceX的Max Vozoff在美國航空航天研究所(AIAA)商業乘員/貨運研討會上
第一次公開提到了SpaceX正在發展一款名叫」猛禽「(Raptor)的火箭發動機
。(主角終於登場)這是大家最後見到的」猛禽「,但是它最初並非這個樣子,中間的故事很長
當時,它的設計指標是真空推力667 kN(68噸,150,000 lbf),比沖高達470s(
主頁君註:這個比沖即使在氫氧機中也是相當逆天的,秉承了SpaceX一貫的放大炮傳
統
),並具備深度節流至50%的能力。和現在的猛禽不同,這是一台氫氧燃料組合的上面級發動機
,目的是為當時正在研發的獵鷹9火箭提供一個上面級發動機的升級版本,替代一直沿用至今的Merlin發動機真空版。人們對於猛禽最早的印象就是這張PPT,循環方式和氫氧燃料組合清晰可見
那個時代的猛禽或許只是扮演著宇宙神V火箭上RL-10A發動機的角色,是一個高性能的氫氧上面級發動機,都和一級的液氧煤油發動機搭配使用
儘管在第二年,猛禽沒有被再次提及,但SpaceX在AIAA會議上提出了大型 Falcon X和Falcon XX超級重型運載火箭的概念。
很多航天愛好者應該都見過這張圖片
這兩款巨型火箭將由非常大的Merlin 2發動機提供動力,Merlin 2的推力為7565 kN(771噸,1,700,766磅,這個推力水平直逼土星五號所採用的F1發動機,也就是上圖左一的火箭),海平面比沖285s,真空比沖321s
(可以和前面猛禽的470s對比一下)
。它是SpaceX的Merlin 1發動機的放大版,同樣使用簡單的燃氣發生器循環,同樣是液氧煤油發動機。諷刺的是,在這次公開演說後不久,SpaceX就開始拒絕承認會議上所展示的圖片是未來火箭的最終版
。(讀了後文可以知道,因為這兩款火箭都是不能垂直回收的)可以肯定的是,SpaceX未來火星火箭的設計受到了該公司的獵鷹9中型運載火箭設計的影響。 而
獵鷹9
火箭在2010年6月4日成功首發,這款在當時起飛重量只有318噸的火箭融入了當時航天業界一些全新的設計理念。這是SpaceX早年的Merlin 2發動機PPT,是不是似曾相識?
獵鷹9的9台一級引擎擁有冗餘能力(
主頁君註:可以在一台發動機失效的情況下通過延長其餘發動機的工作時間來確保載荷依舊能夠正確入軌,該設計在2012年10月的CRS-1任務中得到了實踐,在失去一台發動機的情況下保住了龍飛船入軌
),這種設計在1975年美國土星IB火箭上也曾經出現過。同時獵鷹9大膽的採用了共底貯箱設計
,以減輕全箭重量並降低火箭的高度。這種高難度設計並不多見,只曾經用於20世紀60年代時代土星火箭、現今的半人馬座上面級和阿麗亞娜5號運載火箭(我國火箭也有用,猜猜看是哪款)。土星五號最早採用共底儲箱是一種被逼無奈,這種設計可以節省儲箱的一層封頭,同時顯著的縮短箭長,但對隔熱層(比如土五採用的蜂窩結構)有很高要求,而獵鷹9採用這種結構則是一種對火箭性能的瘋狂壓榨
全新的製造亮點包括採用攪拌
摩擦
焊來焊接火箭部件和大量使用輕質鋁鋰合金及複合材料結構,這些均有助於降低全箭乾重和並有效的提高運載能力。此外,SpaceX通過使用美國航空工業的成熟加工技術以及採用航天工業用於製造通用的3.66米直徑級加工設備,大量使用使用現有的冗餘商業電子元件以降低製造成本。因此,Falcon 9 v1.0亮相時,就幾乎已經是全世界成本最低的火箭。但是,Musk遠遠不滿足於此,他知道,
為了實現火星的殖民化,他需要可重複使用的火箭
。為了實現這一終極目標, SpaceX採用了雙軌發展戰略。一方面Musk將大量資源集中在可重複使用的火箭研發測試(
現在我們可以知道,他一共投資了約10億美元,現在SpaceX正準備通過復用發射逐步收回這筆投資
),而另一個重點是升級現有Falcon 9運載火箭,以足夠強大的性能來提供復用能力(反正老子運力足夠,隨便揮霍)。2011年,一台被稱為「蚱蜢」的配有四條金屬腿的獵鷹9一級火箭被製造出來。這台火箭在越來越高的「跳躍」中重複測試了8次,以提供SpaceX在垂直火箭著陸方面的經驗。最終,這台原始的蚱蜢在2013年退役,而基於獵鷹9 v1.1一級火箭的更大蚱蜢2(註:別名Falcon 9-Dev)被投入使用。不幸的是,第一台蚱蜢2在第五次飛行中因自動中止系統故障被毀。
我就用這麼一個視頻來代替,因為他確實講的比我好,你在這裡能看到,SpaceX走到今天這步究竟經歷了多少挫折,如果在別的公司,我保證VTVL火箭回收的這個項目已經被砍掉一萬遍了
Falcon 9 v1.0火箭在2010年至2013年之間成功飛行了五次,之後,起飛推力躥升了60%的Falcon 9 v1.1(
在傳統的火箭研發中,這基本上可以算是一枚新的運載火箭了
)所取代。雖然它具有與其前身相同的直徑,但v1.1具有全新的Octaweb發動機艙結構,更長的的推進劑貯箱,更高的推力和效率更高的Merlin 1D型發動機。1.1後續版本甚至配備了用於駁船著陸嘗試的支腿。2013年9月29日,1.1進行了第一次飛行。此後,它在15次發射中成功了14次。然而,所有3次著陸嘗試都失敗了。失敗乃成功之母
同時,這種激進的設計進一步的演變成了Falcon 9 v1.2(
主頁君註:也叫Falcon 9 FT版本,FT意為Full Thrust,但這個稱呼在現在來看顯然不合適,因為Merlin發動機的推力還在上漲
), 2015年12月22日,1.2進行了首次發射,同時Falcon 9一級火箭在其發射台附近LZ-1安全降落。為了實現著陸,Falcon 9 v1.2芯級提供了更可靠的一次性潰縮結構的著陸腿,升級了冷氣推進器,改進了再入返回的導航程序,還優化了的格柵舵的結構。同時這枚火箭還創造了低地球軌道(LEO)運載能力最佳性價比的世界紀錄,強大的復用能力支撐起了這個記錄。此外,1.2火箭除了具有較大推力的發動機,更長的二級推進劑貯箱和強化結構等方面的升級,但它還具有一項獨創的設計。
F9 1.2使用接近熔點的超低溫推進劑來提高其推進劑密度,這在世界火箭發展史上是前所未有的
。(想詳細了解這種技術的建議參閱這篇文章,【斌哥論箭】Falcon9火箭為何總是推遲發射?--淺談推進劑緻密化應用,此文作者大有來頭,值得一看,不過建議看完本文後再讀)這項技術使得Falcon 9在相同體積的推進劑貯箱中攜帶更多推進劑來提高性能成為了可能。
值得一提的是,幾乎所有獵鷹9的開創性設計將被用於後來的ITS運載火箭。
(尤其是超冷低溫推進劑這種技術,還有越來越多的複合材料應用)
這種對火箭性能的極端壓榨也導致了後來的Amos-6事故
SpaceX的猛禽發動機從2009年2月至2011年4月幾乎完全未被提及,當時由工程師Jeff Thornburg負責,並給了他一個小團隊來進行發動機方面的工作。由於其優先次序較低,因此進度十分緩慢。
截至2012年10月,隨著SpaceX在發動機領域技術水平的增長和財務狀況的改善,猛禽已經變成了與Merlin 1引擎一樣強大的引擎。多台猛禽發動機將為近地軌道運力150-200噸的未來火箭提供動力。
緊接著下個月,Elon Musk又宣布,猛禽將成為一款液氧甲烷燃料組合的火箭發動機,這是實現SpaceX「火星殖民」野心的首選燃料。同時發動機的循環從簡單的燃氣發生器循環轉變為複雜分級燃燒循環,但這種循環能夠獲得更高的效率和推力。
猛禽,可以稱得上是SpaceX的未來
甲烷之所以取代了煤油,是因為它更清潔(甲烷的理論燃燒產物只有二氧化碳和水),也因為其更容易設計成一款具備多次啟動能力發動機
(主頁君註:一定程度上這與點火機構的設計和燃料組合的燃點有關)
,而且最關鍵的是甲烷能夠在火星上就地製取。不僅如此,甲烷也戰勝了氫,雖然兩者都可以在火星上生產,但因為液態甲烷的能量密度更高,從而允許BFR更輕更便宜。就地生產返程推進劑的甲烷化反應(也叫做薩巴蒂爾反應)
事實上甲烷的優勢不僅如此,氣化溫度更高,蒸發量更好控制,想知道為什麼選擇甲烷,請仔細研究下這張圖
甲烷也不會導致金屬脆化(氫脆),同時液態甲烷的存儲溫度更高(氣化溫度比氫要高得多),這允許它存儲更長的時間,不會輕易的沸騰。猛禽在2013年10月第一次宣布時,其設計推力為2940千牛(300噸,661000磅)。
不同於其它深空運載火箭,SpaceX計劃的特點就是為了降低研發成本,儘可能只採用猛禽一款發動機的不同版本,這是NSF專家組當時為猛禽設想的不同規格噴管
在接下來的幾個月內,NASASpaceFlight.com(NSF)成員/專家Dmitry Vorontsov為SpaceX的火星殖民火箭製作了第一版想像圖,並做出了重量估計和發射模擬。
主頁君註:這個時候,整個火星移民體系都稱之為MCT(Mars Colonial Transporter,火星移民運輸船) ,此時的NSF專家大多認為MCT的配套火箭稱之為BFR(
Big Falcon Rocket,呃。。。我想不出合適的中文譯名
),而火箭上面頂著的巨大移民飛船稱之為BFS(S代表Spacecraft),但是NSF上更多的人直接將這個比太空梭還要大的飛船也叫做MCT。我們用最後公開的版本來講一下當時是怎麼認為這個組成的
Vorontsov的直覺是,BFR的初始設計將類似於使用9個猛禽發動機的放大版獵鷹9,並在上面級使用單個真空版的猛禽發動機(這就是個放大版的甲烷獵鷹9)。他還評估了三個芯級版本的設計(類似於現在的重型獵鷹),事實上此時的SpaceX也正在對這個方案(三芯級)進行評估。(翻譯君:真大佬…,NSF的專家和SpaceX的設計團隊不謀而合)
這是當年L2論壇的著名腦洞圖
NSF的早期設想工作表明,這枚火箭的光桿9.8米直徑版本只有120噸的LEO運力,少於SpaceX所稱的150-200噸。三個芯級的版本,起飛重量共計5440噸,採用了28台猛禽發動機(和重型獵鷹類似,3x9+1=28),該版本可以將LEO運力提升至286噸。
到2014年初,SpaceX推進部門副總裁Tom Mueller(湯姆?穆勒,曾任TRW副總設計師,算是SpaceX推進部門的核心人物和元老之一,至今仍在SpaceX工作)證實了Vorontsov估計的獵鷹9風格的猛禽發動機配置,也就是一級9個起飛級猛禽,二級一個真空版猛禽。
Mueller還宣布將猛禽發動機的推力增加到4448千牛(453噸,1,000,000磅),並選擇火箭直徑為10米。而且還確認了猛禽發動機將採用一種罕見但高效的循環方式,稱為「全流量分級燃燒循環」(罕見的原文是「rarely used」,因為這種循環的發動機至今為止沒有任何火箭實際應用過)。
全流量分級燃燒循環的先驅者,前蘇聯格魯什科設計局的RD-270發動機,超級大毒發(有毒燃料組合),逆天火箭UR-700/900的主發動機,但因為種種原因,止步於工程樣機狀態
基於新的技術參數,NSF重新進行了模擬,新一輪評估顯示,光桿版本BFR的LEO運力將會提升至174噸。雖然這個版本的火箭構想已經打破了人類的火箭運力紀錄(腦洞超越現實,超越了土星五號),但這個運力水平根本不夠讓火星得到殖民化,更別提回程了。
所以NSF的專家當時相信,
SpaceX可能引入了「二次發射」的思路(Dual Launch,這種思路也被經常稱之為「在軌加註」)
。「火星殖民飛船」(Mars Colonization Spacecraft)攜帶船員起飛,進入繞地停泊軌道(Parking Orbit),然後與隨後發射的「加油飛船」(Tank Spacecraft)對接加油,除保留必要的回程燃料外,加油飛船中的低溫燃料全部轉移至火星殖民飛船中,隨後火星殖民飛船重新點火奔向火星。後來根據SpaceX在2015年10月公布的任務架構顯示,NSF專家的猜想基本符合預計,只是SpaceX的「官方版」方案認為「火星殖民飛船」需要多次加油才行。
(主頁君註:事實上這也是目前ITS方案的關鍵缺陷之一)
結果是,NSF的人又猜對了,在軌加註果然成為了SpaceX的最終選擇
在這種方法中,在最後加油之後,加油飛船將利用剩餘燃料返回地球,而「火星殖民飛船」將直接奔向火星。到達火星後,「火星殖民飛船」將用專用設備來將火星的資源就地轉換為返程推進劑,就像在羅伯特?祖布林的火星直擊方案中所設想的那樣。
(主頁君註:其實MCT的在軌加註是一個很複雜的話題,其實值得展開來談,今天賣個關子,我們繼續原文)
隨著SpaceX在2014年開始進行部分猛禽部件的測試,Mueller在2014年年底將運載火箭的起飛推力再次上調至66720千牛(6808噸,15,000,000磅,請注意這是光桿版本,這和上面的三芯級版本不同),
結果是猛禽發動機的推力再次攀升到7415千牛(756噸,1667,000磅),
如果這一版本猛禽成真,它將成為已經人類航天史上推力最大的液體火箭發動機。(RD-170和F1都要甘拜下風,當然這一版本的猛禽還在設計圖上)此外,更多的細節出現,SpaceX確認拋棄了多芯級並聯的設計(忘記重型獵鷹和助推器吧),轉而專註於一個大型芯級,直徑在10-15米之間,這也是創紀錄的。
這時候的BFR就變成這樣個樣子了,就是個很粗的棍子,一直到現在,但圖中這個700噸級別的猛禽發動機卻很可惜消失掉了
這種轉變的主要原因可能是由於光桿火箭與多芯級火箭相比性能損失要小得多。隨著推力指標的不斷升級,NSF的模擬顯示,正在考慮範圍內的的任何一個光桿火箭的版本都能夠將LEO運力提升至300噸以上。
進一步的NSF評估還表明,由於其龐大的規模和構想中猛禽發動機的高ISP(也就是比沖,衡量火箭發動機推進效率的一個重要指標,不嚴謹的來說類似於汽車發動機的百公里油耗),海上回收將只會損失4%的運力,這遠低於現有獵鷹9火箭海上回收的運力損失。
但好日子沒多久,到了2015年1月,
SpaceX突然掉頭,不再提升設計指標,而是突然將猛禽發動機的推力從7415kN縮水為2255 kN(230噸,507,000 lbf)
,不過SpaceX並沒有提及火箭整體推力或設計方面有哪些變化(主頁君註:這就意味著發動機數量相對原有方案直線飆升)。單發推力指標大幅度下降的結果就是這密密麻麻的發動機,不過這個指標對現階段的SpaceX顯然也更現實一些
由於設計的未來發展方向尚不明朗,Vorontsov的一個團隊成員表示,SpaceX採取了一種截然不同的方法。為了節省發動機開發成本,他們將SpaceX在BFR上的發動機數量猛增了三倍,以補償發動機推力指標下降的後果。這在2015年10月由NSF得到的內部資料所證實。
NSF專家評估表明,最新的發動機參數可能意味著重5200噸運載火箭將在12.5米直徑的芯級上安裝27台猛禽發動機,在第二級12.5米將配置3台真空版猛禽發動機。儘管由於發動機數量的增加,火箭的表現受到了輕微的打擊,但仍然能夠將高達280噸的貨物運送至LEO。
說完了BFR,配套的MCT也處在不斷地設計迭代中,2016年NSF的消息證實在2015年「火星殖民飛船」(MCT)正在考慮各種可能的設計。其中有兩個方案可能較大。
第一個是將MCT飛船作為一種超大型的太空艙(Capsule),配有自己的發動機用於降落火星,這是源自SpaceX積極考慮的設計。
第二種可能是升力體構型(註:類似太空梭那樣),也會有著自己的發動機用於著陸火星。
相對而言,太空艙設計更加可行和保守,但為將會貨物、船員和推進劑的載重和空間較小;而升力體結構將為貨物、船員和推進劑提供更大的運力和空間,但具可行性和技術驗證上相對較差。
事實是,SpaceX選擇第一種方案,MCT直接成為了ITS系統的二級
不管方案最終如何,但NSF的專家還是達成了一個共識:就是無論如何設計,MCT太空飛船都將側面進入大氣層以最大化表面積。但不知道MCT是否會在最終階段垂直降落,正如NSF專家所喜歡的那樣;或者是像PlanteMars(法國火星協會)那樣傾向於水平著陸(其實這個方案並不那麼好,火星表面沒有跑道)。
法國人的方案大概是這個狀態
後來消息人士透露,
SpaceX最重視的一個設計問題是如何布置船員、非加壓貨艙或者推進劑
。有三個基本方案:第一個是將推進劑儲箱放在飛船的鼻子上,下方依次是船員和貨倉。燃料輸送管線將穿過兩個隔間直達發動機。(翻譯君:前面是儲箱後面是發動機,旁邊還是管線…也是不怕死,囧)第二個選擇是將船員放在最上面,將推進劑儲箱放在中間,將貨艙放在底部。這種設計令船員遠離發動機,但從中穿過的燃料輸送管線仍然會危及貨艙。
第三個選項則是將推進劑儲箱放在最底部,這就避免了燃料輸送管線的任何問題,但在著陸期間不太穩定,
因為著陸時燃料已經耗盡,飛船頭重腳輕
。(翻譯君:Amos-6有話說233)當時的L2專家構想了多種設計,這是其中更極端的一種設計思路,人員通道直接穿過儲箱,便於人員在火星表面下船
除此之外,SpaceX還需要面臨一個關鍵問題:「火星殖民飛船」是否要與火箭的第二級合二為一?(主頁君註:目前版本採用的就是這種設計,這是基於可完全重複使用這個目標而來的)從而節省設計成本和任務的複雜性;還是為了最大限度地發揮性能,MCT獨立作為火箭的載荷(主頁君註:這是傳統模式,比如阿波羅登月時期,飛船和登月艙與火箭是分開的)。鑒於過多的可能性,到2015年7月,NSF專家為火星殖民運輸載具的太空船確定了二十多種可能的設計。(翻譯君:你們的肝還好嗎…還是又要獻祭工程師的頭髮了o(╯□╰)o)
這也是當時的一種設計方案,可以清晰地看到,這個版本設計中,火箭有標準的可回收一級和二級,MCT飛船則單獨作為三級,這和現在的二級和飛船合二為一的版本迥然不同
這時候,一切看起來似乎都一帆風順,愛好者和工程師們都可以用心去腦洞和完善SpaceX的」火星火箭「了,但是常言道——天有不測風雲。SpaceX在2015年6月28日在執行國際空間站第7次貨運任務時遭遇了慘痛的發射失敗,火箭凌空解體,由於事故調查期間無法執行發射,給公司造成了高達2.5億美元的虧損。因此,SpaceX的「火星計劃」的最終公布和定稿無奈只能被推遲到公司恢複發射之後。
(未完待續)
近期鑒於蘋果公司的抽成行為,I-Phone用戶打賞清掃這裡,打賞都將轉給譯者本人。
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