周四. 8月 6th, 2020

SpaceX的星际飞船:殖民太空新工具

2019年9月27日,NASA宣布了新一轮“临界点”技术融资计划,总价值4320万美元,将分散在14家不同的公司中,所有这些公司都致力于推进“月球和火星持续探索所必需的基础技术”。除了“蓝色起源”号和其他十几艘飞船外,SpaceX还获得了300万美元,用于与NASA马歇尔航天飞行中心(MSFC)合作,建造和测试“低温流体耦合器”,这是一种需要在轨道上加油的喷嘴型星际飞船。
SpaceX首席执行官Elon Musk多年来多次指出,一种极其稳健可靠的“在轨加油”方法对于星际飞船是至关重要的——也许比下一代运载火箭的任何其他单一方面都更重要。尽管“超重型”飞船在单次发射模式下可能会提供令人满意的性能,但火箭潜在的能力中很大一部分需要回收和重复使用助推器和航天器。

星际太空船MK1原型机的鸟瞰图,摄于2019年9月28日德克萨斯州南部(image:spacex.com

“星际飞船”和“超重型”运载火箭是马斯克为他的私人航天公司SpaceX制定的宏伟计划中最大、最重要的部分。马斯克一再强调,他早在2002年就创立了SpaceX,主要是为了帮助人类殖民火星。这位亿万富翁企业家说,我们成为一个星际多栖物种至关重要,他指出,我们灭绝的可能性大大降低,而有意义的太空探索将为全世界数十亿人带来增长。
SpaceX现在正积极尝试将这一科幻梦想变为现实。该公司正在开发一艘100人的宇宙飞船,称为“星际飞船”,以及一枚巨型火箭,称为“超重型”,它们共同构成了太空运输系统,马斯克认为通过它们最终能够到达火星。“这是通往火星上一座自给自足城市的最快道路,”马斯克在2019年9月的一次关于星际飞船 “超重型” 设计建造的网络直播中说。

最初的设想

马斯克自2016年以来每年9月都开一次发布会。在第一次演示中,他阐述了基本思想:一个大型航天器和一个巨大的火箭,这两个都将是完全和快速可重复使用的。火箭将把航天器送入地球轨道,然后返回地球进行垂直推进着陆。与此同时,宇宙飞船将自行从地球轨道前往火星(或月球,或任何其他期望的目的地)。飞船将降落在这些外星世界上并从中起飞,而不需要任何额外的登陆器或上升器。
因此,飞船的在轨加油是马斯克眼中的关键技术。例如,从火星或月球返回的航天器需要在这些星球上加满燃料,使用当地生产的推进剂。2016年,马斯克称这种结构为行星际传输系统(ITS)。这个名字在(当时)是新的,因为以前曾把他设想的概念(虽然更模糊)称为火星殖民运输者。

马斯克说,ITS的结构不应该是火星特有的,该系统还可以帮助人类在月球上建立一个基地。

马斯克当时说,ITS在组合时将高达122米。火箭将占据这一高度的大部分。在“箭-船”组合过程中,两架飞船会有一些重叠。 这两种运载工具都将由SpaceX的下一代猛禽发动机提供动力,该发动机比推动公司“猎鹰9号”和“猎鹰”重型火箭的梅林发动机更为强大。马斯克说,这艘飞船将搭载9台猛禽,40英尺宽(12米)的助推器使火箭在升空时产生13033吨的推力,是NASA土星五号月球火箭所能产生推力的3.6倍。(相比之下,“猎鹰9号”有9个一级发动机,“猎鹰重型”有27个。)
“不会只有一艘飞船和助推器”马斯克说,最终计划是每26个月向火星派遣1000人或更多载人飞船,帮助在50至100年内在这颗红色星球上建立一座拥有100万人口的城市。(地球和火星每26个月才产生对一次行星际飞行有利的任务窗口。)
马斯克没有提出建造这座城市的计划。他说,随着越来越多的人到达火星,这将有序的进行,他将ITS与19世纪帮助美国西部从东部和中西部开辟定居点的横贯大陆铁路相比较。
如果一切按计划进行,这些先驱者将不仅仅是超级富豪。马斯克说,智能交通系统的可重用性最终可能会使火星之旅的价格降到足以让很多人负担得起的水平。
马斯克在2016年的演讲中说:“这种架构允许每张票的成本低于20万美元。”我们认为,迁移到火星的费用最终可能会降到10万美元以下。”

调整设计

在过去的三年里,这一总体设想一直保持不变,但马斯克一再调整设计和系统名称。例如,在2017年,他宣布现在的BRF是“大猎鹰火箭”(Big Falcon Rocket)。与设计前辈相比,BFR更短、更细、动力更小,堆叠时高348英尺(106米)、宽30英尺(9米),助推器上只有31个猛禽发动机,太空船上则有6个。
但最大的变化涉及到飞船火箭组合体的使用。马斯克宣布,SpaceX最终计划使用BFR来满足其所有的太空飞行需求,从发射卫星到运送人员往返火星,再到清理地球轨道上的太空垃圾。因此,“猎鹰9号”和“猎鹰重型”将在长途使用中逐步淘汰,SpaceX“龙”飞船的机组人员和货物变种也将逐步淘汰。
马斯克当时表示,以这种方式扩大 BFR的作用,将使Spacex开发和制造该系统的成本更为低廉。“如果我们能做到这一点,那么猎鹰9号、重型和 “龙”飞船所使用的所有资源都可以应用到这个系统中。这是非常重要的,”他在2017年9月说。我们相信,我们可以利用发射卫星和为空间站提供服务所获得的收入做到这一点。”

随后, BRF 的设计经历了一次快速迭代,几乎使系统恢复到原来的高度。2018年9月,马斯克告诉我们,这对火箭飞船组合体在堆叠时将高达387英尺(118米)。BRF也将搭载7台猛禽,而不是6台,“马斯克”补充道,BRF搭载的星际飞船将搭载4架可移动的尾翼,其中2架靠近机头,2架较大的尾翼靠近机尾。
这些鳍将有助于飞船在火星和地球等具有重要大气层的星球上安全着陆。马斯克说,两个尾鳍也将作为着陆垫,一条腿也将被设计成鳍状。
2018年9月的更新也带来了其他重大消息:SpaceX当时签署了第一个BRF运输系统的客户。日本亿万富翁前泽优哉(Yusaku Maezawa)预定了一次利用BRF进行绕月旅行的活动,预定发射日期为2023年。前泽说,他计划带几个艺术家一起执行任务,他称之为DearMoon。SpaceX和前泽都没有透露这次飞行的费用。

两个月后, BRF 已经不存在了:马斯克告诉我们,这个系统现在将被称为星际飞船(Starship)。这也将是宇宙飞船的名字,而巨大的火箭将被称为 “超重型” (Super Havery)。当时,spacex仍计划用碳纤维制造星际飞船。但2019年1月,马斯克宣布改用不锈钢。马斯克说,钢比碳纤维重一点,但具有很好的热性能,而且价格要便宜得多。此后,他将材料转换称为ITS/BRF/Starship项目迄今为止最好的设计决策。

2019年5月,马斯克说,目前的计划要求在星际飞船飞行器上搭载6台猛禽,而不是7台。几个月后,他在推特上说,“超重型”现在将以35台猛禽取代31台猛禽。
这给我们带来了最新的设计更新,马斯克于2019年9月28日在SpaceX位于德克萨斯州南部演讲时并没有宣布任何重大变化,不过还有一些发动机方面的消息:“超重型”现在将有37台猛禽发动机的空间,不过并非所有这些机位都会在每次飞行中填满。马斯克说,每个任务可能需要至少24台猛禽助推器。
马斯克此前估计,星际飞船项目的总开发成本在20亿至100亿美元之间。9月28日,马斯克在设计更新后不久接受美国有线电视新闻网(CNN)采访时说,他现在认为SpaceX的价格将接近这个范围的低端——“可能接近2或30亿美元,而不是10亿美元”。

正在进行的试飞

2019年9月的更新比往年更具戏剧性,因为马斯克附近有一个引人注目的新设备——近50米高,名为MK1的星际飞船原型。SpaceX已经制造并飞行了一个星际飞船的原型——一个短粗的,单引擎飞行器,称为“星斗”,在8月底测试完成并退役前,它在博卡奇卡进行了两次短暂的、未受约束的试飞。

MK1是向前迈出的一大步。这是第一个全尺寸的星际飞船测试飞行器,计划很快飞得很高。马斯克在演讲中说,SpaceX的目标是在10月或11月驾驶三引擎MK1进行一次未经改装的测试任务,这将使该飞行器飞行到大约20公里的高度。SpaceX正在佛罗里达的工厂制造一种类似的MK2飞行器,理由是一些公司内部的竞争将改进最终星际飞船飞行器的设计。宇宙飞船的更多迭代版原型机也应该在短时间内升空。
在2019年9月的演示中,马斯克说SpaceX希望在不到6个月的时间内用星际飞船进行轨道试验飞行——所以,到2020年早春。他说,执行这一里程碑式任务的飞行器很可能是“MK4”或“MK5”号星际飞船。

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