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“蚱蜢”火箭上開發低空環境下的垂直起降技術

2020/06/13 15:51:59 網誌分類: 科技
13 Jun

  在美國停止從本土進行載人航天9年後,SpaceX公司於5月30日從佛羅裏達州肯尼迪航天中心的39A發射平臺向國際空間站成功運送了兩名宇航員。經過19小時小時的飛行,龍飛船與空間站準確對接[1]。未來,隨著火箭回收和重用技術的成熟和商業競爭的加劇,發射成本有可能會使快速下降。更多太空技術將會在很多方面服務人類。

  從2011年向公眾宣布他們的可回收火箭發展計劃開始,SpaceX公司花費了約四年時間才在2015年實現了一級火箭軟著陸。之後又經歷了兩年時間的實驗,他們著陸成功率才顯著上升。在接近5年的著陸實驗中,他們不斷的應用了更多新技術,也積累了豐富的經驗。迄今為止,他們成功完成了53次一級火箭軟著陸,進行了36次二手火箭發射。他們最快速的一次火箭回收翻新並投入第二次發射只需要不到63天。現在被翻新次數最多的兩枚火箭B1048和B1049分別被發射了5次[2]。那麼SpaceX是如何做到回收火箭的?被回收的火箭能夠被重用多少次?未來還會有哪些技術進步呢?

  為了能夠達到重用火箭的目的,SpaceX公司必須要能夠在發射任務完成後能將一級火箭準確導航至預定場地,然後成功降落回收。他們先在“蚱蜢”火箭上開發低空環境下的垂直起降技術。這種被命名為“蚱蜢”的小型火箭裝配有和獵鷹9號一樣的梅林發動機。通過矢量推力和油門控制技術,它可以躥升至一定高度,在空中懸停,並精確降落至另一地點印度必利勁 印度必利勁代購 印度必利勁藥局 印度必利勁哪裡買 必利勁 印度必利勁副作用 必利勁POXET-60。如果垂直起降技術能夠獲得成功,就可以避免使用傘降技術,然後再從海中打撈火箭的窘境。在2013年10月的最後一次測試中,“蚱蜢”火箭從740米的高空安全降落[3]。在掌握這一技術後,SpaceX在2013年至2015年的多次獵鷹9號發射任務中進行了應用。遺憾的是,早期的導航誤差達到10公裏,完全無法達到回收的目的。但是他們在不斷的失敗中收集了大量數據,逐步把誤差縮小到僅僅10米。直到2015年12月22日的一次11顆衛星的發射任務中[4],他們才最終成功讓火箭軟著陸。

  在實現火箭回收任務的過程中,SpaceX應用了很多項重要技術,對原有設計不斷改進。他們在火箭尾部噴嘴上應用了矢量推力技術。這項技術在很多軍用飛機上也有應用。通過控制尾部火焰的噴射方向來改變火箭的飛行方向和姿態。與傳統火箭不同的是,可回收火箭的發動機把二級火箭送入太空之後,在返回著陸場的過程中需要再點火兩次來實現動力減速。所以梅林發動機必須要在高空和超音速的狀態下具備二次點火功能[5]。2015年開始,獵鷹9號火箭在原有基礎上增加了頂端的四個可折疊柵格翼。這些柵格翼在50年代由蘇聯導彈專家發明[6],具備氣動控制能力。它們在發射過程中保持折疊,在下降過程中,它們會自動打開,通過偏轉方向來精確控制火箭返回時的飛行軌跡。

  為了讓發射成本下降,獵鷹9號火箭必須要能夠縮短其翻新周期,讓它在短時間內恢復發射狀態。在2018年5月11日孟加拉國通訊衛星的發射任務中[7],他們使用了最新的Block 5型獵鷹9號火箭[8]。這種火箭對已有型號進行了比較重要的幾項改進。原來的鋁合金柵格翼被更換為鈦合金材料。這樣可以抵禦重入大氣層產生的高溫,避免回收之後還要重新更換。比較容易在返回過程中遭受損傷的部件,如發動機隔熱罩和著陸支撐架也使用了新的設計。業界普遍認為,這次改進讓發射成本下降到只有之前的十分之一。但即使這樣,也只是讓翻新周期從之前的356天下降到107天[9]。已經退役的航天飛機曾經只需要55天[10]的翻新周期就可以投入超級犀利士 超級雙效犀利士 超級犀利士哪裡買 印度超級犀利士 雙效犀利士 超級犀利士心得 超級犀利士副作用 超級希愛力 雙效希愛力 希愛力第二次發射任務。由於1986年挑戰者號的失事,美國宇航局對航天飛機的翻新工作增加了很多新的規定。之後完成一次翻新仍然只需要不到100天,但是需要宇航局約9000名工作人員的參與。這也就決定了航天飛機的發生成本遠遠高於傳統火箭和現在的可回收火箭。

  在獵鷹9號被成功回收之後,SpaceX需要把它運送回自己的廠房進行檢測和翻新。火箭先被從著陸場裝載到拖車上,送回公司廠房。在那裏著陸支架會被人工方式取下,然後開始進行翻新工作。9臺梅林發動機會被嚴格檢測,確保它能夠在下一次飛行中正常工作。按照馬斯克的介紹,梅林發動機未來將會達到不需要大修就可以安全飛行1000次的目標[11]。燃料箱和壓力容器要進行超聲波檢測,確保上一次飛行沒有導致它們產生損傷。如果這些部件存在裂縫,將會在下一次加註燃料的過程中產生泄漏。在所有翻新工作都已經完成之後,這枚二手火箭會被運送到發射臺。宇航局還會再進行一次靜態點火實驗,確保所有發動機能夠正常工作。如果一切正常,有效載荷才會被裝載到火箭頂部,為下一次發射做好準備。由於火箭翻新還是一個未知領域,他們需要通過每一次的發射任務來完善工序。

  現在,SpaceX希望進一步簡化火箭的翻新工作。雖然獵鷹9號理論上可以執行100次發射任務,但是公司在目前只打算讓它們最多飛行30次,之後就會被銷毀。未來,他們希望能夠擁有20枚火箭的庫存;然後讓火箭變得像普通飛機一樣,只要經過簡單的檢測就可以在24小時內迅速投入第二次飛行。

  在6月8日給所有員工的信中,馬斯克認為公司的首要任務是加快星際飛船(Starship)的研發工作[12]。按照設計,星際飛船將會是完全可重用的液態威 液態威購買 液態威心得 液態威而鋼 液態威而鋼價格 液態威而鋼副作用 液態威而鋼哪裡買。它將被主要用於月球和火星登陸的發射任務。他們正在德州的Boca Chica開發其原型機,並且已經經歷了四次重大挫折,計劃在2021年能夠開啟星際飛船的首次商業飛行。如果這些目標都能實現,星際飛船還可以被用於在地球上的快速旅行。它將可以使人們能夠在一個小時之內達到地球上的任何地點。

  雖然人類在征服太空的道路上還存在很多技術障礙,但是近幾年人們熱情已經達到了阿波羅登月以來的高峰。SpaceX的歷史性的壯舉不但意味著可回收火箭在經濟性和安全性上全面超越了航天飛機和之前的土星5號火箭,也代表著美國開始更多用私人公司承接以前由政府部門主導的宇宙探索任務,運用市場的力量來推動科技研發將會是以後太空開發的發展方向。

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