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Military2版 - 如何正确地“黑”SpaceX(四):SpaceX的火箭回收之梦
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猎鹰9号火箭的第一级
再创记录!SpaceX第二次成功发射并回收重复使用的火箭
SpaceX猎鹰9成功将ZUMA发射进入轨道
美国一颗绝密卫星将由SpaceX公司的猎鹰9...
回收火箭再发射,马斯克终于完成了十五年来的执念
不这样对比 还真意识不到猎鹰9号回收第一级的巨大
坐不住了!
2天2射!SpaceX今天下午发射一箭10星成功,都是大号通讯卫星。首度使用了钛合金格栅翼
怎么正确地“黑”SpaceX(二): 从猎鹰1号到猎鹰9号
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话题: 火箭话题: spacex话题: 回收话题: 第一级话题: 发射
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早在上世纪80年代末,苏联就曾设想过多重可复用的火箭系统。其中最令人印象深刻的
,是以“能源”号超级火箭为母型研制的ГК-175可回收式重型运载火箭。其最大的特
征,在于配备了可独立飞行滑翔降落的助推器组件。在火箭发射以后,全部助推器将在
空中展开机翼,以滑翔的方式着陆返厂。
ГК-175可回收饲重型运载火箭畅想。其主体部分接近一架无人航天飞机,而助推器则
各自独立具备机翼构造
上述手段科幻且炫酷,但存在着相当大的技术风险。而相对简单的,则是自上级70年代
末起就开始构想的可部分回收火箭系统。在上述构想中,火箭只有发动机部分是需可回
收的。在完成任务后,火箭的发动机部分从箭体上分离、气动减速,并在下降到一定高
度后展开降落伞。这时,将会有一架安装了天钩回收系统的飞机从其上方略过,钩住降
落伞将其收回。整个回收过程很类似飞船返回舱【注释:在SpaceX咄咄逼人的攻势下,
ULA考虑采用这个方案,实现下一代运载火箭的部分回收复用】。
那么SpaceX的回收将采用哪一种方式呢?都不考虑。
类似于ГК-175滑翔回收方式,存在系统复杂且的风险。而天钩模式虽然较为可靠,但
也需要一套独立的分离、开伞系统。且部分回收复用的方案,根本不可能兑现埃龙·马
斯克的“发射成本降低90%”的豪言壮语。
故而马斯克和他的团队要独辟蹊径:既然火箭可以站着起飞,那么就要站着回到地上。
在猎鹰9号火箭的一子级完成任务后,它将进入动力减速/回收弹道,打开一子级上部的
栅格气动控制翼面,调整姿态、尾部向前,断续启动一台或者多台发动机减速。或调头
返航、返回发射场,或沿溅落弹道的方向、飞向预设的回收场地(从卡纳维拉尔角发射
场起飞的时候,回收场地是海上的大型驳船)。在抵达着陆区后,发动机再次启动、把
一子级的降到很低的速度,打开着陆支架、对准着陆靶标,缓慢着陆。
SpaceX回收过程示意图
这是一个炫酷无比的项目,而一切都将从一枚名为“蚱蜢”的火箭试验器开始。
蚱蜢“火箭”矗立于测试场内
蚱蜢项目始于2011年末。其大致模拟猎鹰9型运载火箭第一级的尺寸、整合以梅林1C引
擎,并安装有一套固定式的轻合金支撑脚组建。自2012年9月21日起,至2013年10月7日
,蚱蜢共进行了8次发射试验。滞空时间从3秒逐渐增加至79秒,飞行高度从1.8米延伸
至744米。该项目旨在研究不同环境和气流下,火箭的垂直姿态控制。
在蚱蜢项目取得第一阶段成功以后,项目即进入到F9R Dev1飞行测试阶段。
所谓的“F9R Dev1”,即Falcon 9 Reusable Development Vehicle(猎鹰9号运载火箭
可复用发展飞行器)之意。基本上模仿v1.1版猎鹰9号的第一级,采用相同的箭体和燃
料与新一代梅林1D引擎,安装了可收放式的着陆支撑架,并在箭体顶部安装4片可控气
动格栅用于姿态调整。
较之蚱蜢,更为接近猎鹰9号第一级实体的F9R Dev1。除安装引擎数量外,其大致和实
体别无二致
从2014年4月17日到8月22日,F9R Dev1共进行了5次飞行试验。飞行高度最大达到1000
米。试验型全面测试了可收放式支撑腿的动作机构,并对减速下降阶段用来进行姿态控
制的气动格栅的控制效率进行了评估。不过,在第五次试验时,F9R Dev1意外爆炸损毁。
SpaceX原本计划制造F9R Dev2进一步进行测试评估。不过该项目最后被放弃。而整个测
试飞行阶段,也就到此为止。下面是将这个回收系统安装上猎鹰9号火箭,计划利用每
次发射任务来进行实箭测试。
垂直回收之路
从2015年开始,SpaceX开始使用实际执行任务的火箭,来继续推进其第一级火箭回收项
目。从此之后,4支可展开的机械支撑腿以及第一级顶部可张开的气动格栅,成为了猎
鹰9号火箭的标配。
与之前蚱蜢火箭与F9R Dev1上的测试相比,这是货真价实的实际运用环境。然而项目推
进到这一步后,似乎又重走了最初猎鹰1号屡射屡炸的老路了。下面让我们看看下面这
堆试验记录。
2015年1月10日,回收项目首次实箭测试。当天,在完成了CRS-5第一阶段飞行任务后,
火箭的第一级火箭顺利与上面级分离,并按照程序设定落向大西洋上一艘由驳船改装的
着陆平台。虽然准确地“命中目标”,但由于下降速度过快,导致火箭变身反舰弹道导
弹,在甲板上猛烈发生爆炸。
一个月后的2月12日,又一枚v1.1版猎鹰9号,在完成为美国国家海洋和大气管理局发射
深空气候观测站(DSCOVER)卫星发射的任务后,于回收测试中折戟——由于当日海上
风浪突变,驳船被迫撤回。这一次,火箭第一级虽然在海面上成功实现了减速,但无处
可落最终也只能栽在大西洋里。
又过了2个月,4月14日,SpaceX履约执行CRS-6发射任务。这一次,最新的一枚猎鹰9号
火箭将携带Flock 1e皮星群升空(26颗)。这一次,一级火箭成功和着陆驳船实现了交
汇,并顺利进行了减速,但由于箭体触及甲板时横向速度过大,未能立足于其上。在箭
体倾覆后,再度上演了爆炸起火的戏码。
CRS-6任务中,下降中的猎鹰9第一级部分。从图中可见,其支撑架正在张开,姿势也基
本调整为垂直状态。不过很遗憾的是,这一次依然不成功
倾覆中的第一级火箭,即将化为烈焰
2015年6月28日,SpaceX借用新一期发射“龙”式飞船的机会,再战垂直回收挑战。不
过这一次火箭却在第一级分离之前,于高空爆炸解体。
2015年6月28日,搭载龙式飞船从卡纳维拉尔角空军基地升空的猎鹰9号火箭,在起飞不
久后发生大爆炸,船箭尽毁
连续意外和着陆失利,令公司以及其支持者方面感到沮丧。可既然定下了上述任务的方
针,又岂能轻言放弃。
2015年12月22日,SpaceX公司再战火箭回收项目。但和之前有所不同的是,鉴于本次发
射的轨道通讯公司新一代低轨道通讯卫星群组总质量较小(11枚立方星合计1892千克重
),火箭剩余运能充沛,可以预留足够的燃料、选择风险较小的返场回收弹道。
轨道通讯公司新一代低轨道通讯卫星群组。照片拍摄时,全部11枚立方星均已固定于卫
星分配器上了
本次发射的载荷,11枚轨道通讯公司新一代低轨道通讯卫星
空置状态的卫星分配器
此外,为提高成功率,这一次将着陆点由海上的回收式自航平台,调整为原地返场着陆
,降低任务难度以谋求突破。更为重要的是,本次用于执行回收测试的,是猎鹰9号系
列中最新的“全推力”版(Falcon 9 full thrust,即FT型)。与v1.1版相比,其全箭
长度更是延长到了骇人听闻的70米,长径比超过了19【注释:此前的v1.1版虽号称超过
19,但实际是高于18】,质量则增加到了549.054吨,比505.846吨的v1.1版重了大约8%
。此外,既然名曰“full thrust”,其引擎在梅林1D上进行了调整和优化,成为实际
上的梅林1D+。故其起飞推力号称可达7607千牛,比v1.1版多了大约20%。
在发射前,整个团队认真检讨了之前所犯过的错误并考虑对策,然后认真检查了火箭的
每个环节,对尚不妥善的引擎和火箭的分离系统进行了修改,甚至专门调整了燃料的配
比。
而本次发射任务也少见的一波三折,被多次推迟。最终,在当地时间2015年12月21日20
时29分,于卡纳尔拉尔角发射升空。
首枚猎鹰9FT火箭的第一级,在发射数分钟后完成任务,顺利地与上面级分离。随后其
按照程序开始调姿转向,向着卡纳维拉尔角上空返航。当晚20点38分,在SpaceX全体员
工以及全球数十万支持者的期盼中,火箭的第一级成功在发射场边的着陆区实现了自主
式垂直降落降落。在当天的直播视频中,笔者听到了如同海啸般的持久的欢呼声。
美国东部时间2015年12月21日晚上20点38分,首枚最大推力版猎鹰9火箭的第一级,在
完成了任务后成功返航发射场,并最终凭借自身动力实现了垂直降落
延时摄影展示的轨迹——在2015年12月21日晚上的任务中,起飞和降落时,火箭划出了
两条轨迹,呈现出了SpaceX公司名称中那个被大写的“X”
实现第一级的返场垂直回收,只是SpaceX整个复用式航天器计划的1/3任务。究其原因
,是因为该方式代价过大。事实上,国内航天业界此前已就可复用回收火箭系统的可行
性和经济性有过系统的分析。由于SpaceX至今不未公布其火箭与回收系统的明确技术参
数,相关报告只能搜集现有的猎鹰9以及其回收系统的概略数据,进行量化分析:
报告认为,以目前的猎鹰9要实现一子级垂直返场(类似2015年12月23日实现的返场回
收模式),需要预留15.29%~17.11%的推进剂量。折算下来,其运载能力损失在52.6%
~56.76%之间。相较而言,若其一子级不返回原场回收,而是选择在海上的回收平台回
收,则仅需要预留6.82%的推进剂量。折算其运载能力损失为28.9%。
故,相对于大返场模式的运力直接打6折,海上着陆自然具有较明显的优势,其不足30%
的运力损失尚在能够接受的范围内。总之,无论如何,12月21日的成功终究是激励了团
队,也使全世界的支持者在领教了近一年的不断失望后,复又信心百倍。
2016年1月17日,最后一枚v1.1版猎鹰9号火箭,搭载着Jason-3海洋观察卫星,从加利
福尼亚州范登堡空军基地发射升空。然而在火箭的回收过程中,第一级虽经较为成功的
减速在着陆平台上实现软着陆,但一根着陆支架未能实现锁定,最终导致箭体倾覆爆炸。
就在这次失败的一个半月以后的3月4日,SpaceX公司迎来其自创建以来的最重要一次“
考试”——SES-9任务。
SES-9是一枚同步轨道通讯卫星,其属于总部位于卢森堡的欧洲卫星公司。该卫星基于
波音公司702HP平台,额定功率12.7kw、搭载多达57个高能Ku转发器,计划定点于108.2
°E位置地球同步轨道。最为关键的是,该卫星重达5271千克,是迄今为止SpaceX接到
的GTO发射合同中最重、也是最为贵重的一单。如果这一单顺利入轨,则意味公司从此
获得了在航天发射市场内的正式会员资格。反之,马斯克很可能将会把此前辛苦数年换
来的一切统统赔进去。所以,只要发射成功,即可万事大吉。
迄今为止SpaceX发射过的最昂贵太空资产,SES公司9号通讯卫星
而该任务的难处,在于其接近了现有猎鹰9FT的运力极限。为了最大限度压榨F9FT的潜
力、提高运力,这次发射任务首次采用了燃料深冷加注技术,把液氧的温度降低到沸点
以下几十度,因为液氧密度增大、可以多加注一些燃料。
发射计划原本定在2月末,但连续4次或因为天候、系统自检问题以及船舶误入降落区等
缘故而推迟。特别是2月28日,火箭由于等待误入降落区的船只离开而延期35分钟发射
。因等待过久,导致之后点火时箭体内液氧贮箱温度升高产生气泡,继而引发推力不足
问题。检测到故障的火箭控制系统紧急终止了发射程序。所幸星箭平安,未酿成大祸。
3月2日,“罚站”近一周的火箭被从发射台卸下,送入就近的车间进行应急维护。尽管
存在相当大的风险,但SpaceX已是骑虎难下。因为再拖下去,发射合同将面临延期违约
的风险。而一再的意外,也可能重挫支持者乃至投资人的信心。故马斯克拍版,3月4日
必须发射。有条件就射,没有条件也要创造条件射!
在马斯克的职业生涯中,这类近似赌博的情况已经有过多次。最近的一次,莫过于2008
年凶险的8月。当时,SpaceX和特斯拉均耗尽了现金,距离破产仅一步之遥。好在NASA
成为了猴子请来的救兵,及时投下了十几亿的合同。而这一次,他又博对了!
美国东部时间2016年3月4日夜里23点35分,搭载着SES-9的猎鹰9FT型火箭在卡纳维拉尔
角发射场40号工位腾空而起。本次发射异常顺利,一扫此前3次推迟的颓唐之气。火箭
起飞约4分钟后,第一级完成任务,在分离后调整姿态准备降落。而上面级则携带者珍
贵的SES-9卫星继续向着地球同步转移轨道爬升。
2016年3月4日子夜23点35分,猎鹰9FT携带SES-9成功起飞。尽管该任务一波三折,但最
终并未以悲剧收场。这着实是对马斯克以及其团队近十年来努力最好的奖赏
这一次的回收试验充分汲取了之前的教训,加之当天天气条件非常良好,所以箭台交汇
非常成功。在校准位置后,火箭开始启动发动机截流功能缓缓向着平台落下。首次成功
实现海上平台降落在此一举!
突然,引擎似乎出现了熄火的迹象!正稳定下降的火箭第一级立刻失去动力,从数百米
高度上笔直落下,重重砸在了着陆平台上。
到港后的回收平台。可见火箭从高空坠下产生的巨大撞击力,将被专门加固过的甲板也
击穿了
从次日平台返港的照片中,我们可以看到平台上遍布火箭第一级残骸,火箭第一级的状
态堪称“粉碎”。而着陆平台的一角,也被坠落的火箭第一级砸出了个大洞。此情此景
,令平台上涂着的“of course i still love you”显得异常讽刺。
但与前几次的失败相比,本次在平台上留下的烧灼痕迹异常之少。这也就直接说明了第
一级之会在4日午夜的降落试验中出现突发动力丧失进而坠落的问题,根本原因在于本
次任务已经逼近F9FT的运力极限,预留的燃料不足,动力减速过程非常勉强(相关分析
详见下期内容)。
SpaceX拿到了世界航天发射市场的正式入场券,成为了“列强”之一。无论ULA有多强
大,都无法再从市场角度对其加以遏制。然而这次胜利终究并不完美,因为海上回收亦
然未能成功。好在,胜利的曙光已经浮现在了天际。
结尾部分
美国东部时间2016年4月8日16时43分,在完成了将“龙”式宇宙飞船送入国际空间站轨
道的任务后,历经千辛万苦,克服了难以想象的挫折和困难,猎鹰9FT火箭的第一级,
终于稳稳地降落到海上无人回收平台。Of course. I still love you!
矗立于无人回收平台上的火箭第一级——Of course. I still love you!
自2011年末开始,历时达4年半之久的SpaceX公司可复用航天运载器计划终于功德圆满,
欢呼和祝贺的声音,正跨越行业的藩篱,冲破国界的阻碍,从四面八方涌来。而SpaceX
最大的对手,那个曾经在美国国内呼风唤雨,完全垄断着市场的联合发射联盟,正在经
历着莫大的苦难——自乌克兰危机爆发以来,俄罗斯切断了RD-180引擎的供应。而这就
意味着ULA最重要的中型运载火箭宇宙神系列,即将面临停摆。整个公司的航天发射业
务将会暂时瘫痪……
所有的好牌都已落到手中。此时此刻,埃隆·马斯克似乎站在了他人生新的高点之上。
那么,廉价航天的时代是否就此开始?而SpaceX在此之后,又有何雄心壮志是否能够改
写历史?而见证了这家企业的种种之后,中国航天又能从中借鉴到什么?
这些,我们将在本文的后续部分,进行深入的剖析和阐述。
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