Money Never Sleeps

美国民营航天企业可回收运载火箭项目概述

科技 rock 1485℃ 0评论

猎鹰9号

太空探索技术公司

在美国的民营商业空间公司中,成立于2002年6月的太空探索技术(SpaceX)公司率先提出了低成本商业发射模式,重点研制一款低成本、高可靠性的可回收运载火箭,在发射任务完成后能垂直地落回地面,重新加注燃料后可再次发射。据称这种方式能将发射成本降低至传统运载火箭的十分之一。

“猎鹰9号”火箭

SpaceX研制的第一款运载火箭是“猎鹰1号”。火箭的第一级采用Merlin火箭发动机,该发动机以航空煤油和液氧作为推进剂,推重比大且价格低廉;第二级为同样使用航空煤油和液氧燃料的Keserel发动机。运载火箭的第一级在发射任务完成后可利用降落伞系统减速降至海面回收并重复使用,但在“猎鹰1号”的第一次发射中,Merlin火箭发动机因为发生火灾而失败。

随后,SpaceX对设计进行了改进,就是现在研制的“猎鹰9号”运载火箭,其第一级采用9台Merlin 1D火箭发动机(中间1台、周边均匀布置8台),第二级采用1台Merlin 1D发动机。在发射火箭时,第一级9台Merlin 1D台发动机能提供5850kN的推力。

“猎鹰9号”火箭所采用的是以动力反推力实现垂直下降的回收方案。第一级火箭在返回过程中,通过箭体上的液氮推进器来调整姿态,以应对气动扭矩和旋转的影响,防止箭体在下降过程中出现滚转,同时,箭体的四周安装了4个栅格翼,以增加火箭在回收着陆过程中的稳定性,控制火箭向地面平台降落。“猎鹰9号”运载火箭的造价约为1600万美元,而燃料只值20万美元,如果能实现第一级火箭回收的常态化,就能大大降低发射成本。SpaceX公司称,目前只是确保第一级火箭可以回收,但是在SpaceX的远期计划中,两级火箭皆可被完全回收并重复使用。

这项技术的难点在于:首先,“猎鹰9号”火箭有14层楼高,爬升时的速度达1.6km/s,要让火箭从高速直线上升转为垂直下降,犹如在狂风中让扫帚柄直立于手掌;其次,“猎鹰9号”需要在一艘“自主航天港无人驾驶驳船”(ASDS)上着降,而ASDS的宽度仅30m,这就要求有很高的着降精确度,加之在海上的ASDS是浮动的,火箭必须借助发动机系统保持下降时的平衡与稳定。

除了在运载火箭下降过程中要对火箭的姿态进行调整,如何利用发动机点火来控制下降速度则是另一项难点。在第一级与第二级火箭分离后,第一级通过重起火箭主发动机来实现制动减速,待运载火箭快要临近海面时,再重起另一台发动机,使火箭从最初的1300m/s的速度减到2m/s,配合带有液压减震器的4个着陆支架,使其最终降落精度在10m之内。

与“猎鹰1号”相比,“猎鹰9号”最大的不同是带有4条钢铝结构的“腿”作为液压减震器。这4条“腿”使火箭能抵御垂直降落时的巨大冲击而不致严重损坏,而且火箭的顶端和外层全部采用超强度铝锂合金材料制成,且后盖上有特制的隔热板,以保护火箭在重返大气层时免遭损坏,所以火箭在回收后只需稍加维修,便可重复使用。

试飞历程

“猎鹰9号”经历了多次飞行试验,在2014年10月的试验中,“猎鹰9号”火箭由发射台点火后升空至744m,然后又垂直降落回发射台,整个试验过程持续78.8s,火箭的第一级降落地面后外观保持完好。但是接下来在2015年1月6日,SpaceX公司原本计划在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射“猎鹰9号”,但在倒计时进入1min时发射任务被紧急终止,公司称原因是火箭的“二级推力矢量控制驱动器发生飘移”。2015年1月10日,SpaceX公司首次成功地从卡纳维拉尔角航天发射场用“猎鹰9号”运载火箭将“龙”飞船送到太空,并在绕地球轨道运行两周后安全溅落在太平洋预定海域,但这次的火箭海上回收再次以失败告终,火箭在海上浮动的无人驾驶驳船上硬着陆并损毁。

“猎鹰9号”的第一次成功回收是在2015年12月21日,当火箭将11颗轨道通信卫星发射到低地球轨道后,第一级火箭返回并成功地向下垂直降落在预定的降落场上。这也是“猎鹰9号”的第20次太空飞行,此前都是直接坠入大海或爆炸损坏。但是在今年1月17日,SpaceX公司用“猎鹰9号”将Jason-3卫星发送到轨道后,试图再次在太平洋上一艘修复后的驳船上降落时,因为运载火箭着陆架接地后倾斜翻倒,未能实现完美的回收。原因可能是由于发动机在减速控制上并不十分准确,加上海上风速较大,导致降落速度未能控制良好。

转载请注明:北纬40° » 美国民营航天企业可回收运载火箭项目概述

喜欢 (0)or分享 (0)
发表我的评论
取消评论
表情