【原创文章】SpaceX“行星际运输系统”的演变(二)

主页菌说

一直以来,伊隆·马斯克创办的SpaceX公司都想研制一种能够廉价输送人员和货物前往火星的“殖民飞船”,包含飞船在内的整个系统暂时被称之为”行星际运输系统”(Interplanetary Transport System,下文简称ITS,也就是早年的MCT)。但最近种种消息表明,SpaceX公司这个“一步登天”的计划有变。公司正在改为认真的设计和筹划一款具备类似功能,但规模和运力都小一些的“微缩版ITS”。其实笔者早在去年IAC大会之后就曾分析过,假设SpaceX在殖民火星上是认真的,那么从已有的猎鹰系列火箭直接进化到ITS是既不现实,也不合理的,公司显然需要一个介于两者之间的中间形态来进行必要的技术积累和验证,同时将经费控制在合理范围内。由于缩微版ITS的具体设计基本要等到今年IAC大会才能曝光,我们应该趁此机会提前温习一下ITS从构想诞生至今的来龙去脉,所以我们特意遴选了一篇来自国外著名航天论坛的长达数万字的ITS文章,希望从头到尾彻底剖析这个“惊世骇俗”的航天系统的前生今世。原作者Phillip Gaynor,Dixon通译全文,FP校对,跆拳道大灰狼排版配图,今天是第二期。

我们要讲的是左三这东西的来历(好像混入了奇怪的东西)

太空探索技术公司(Space Exploration Technologies)或称SpaceX公司,成立于2002年6月,其目标是大幅削减进入太空的成本。随着eBay以15亿美元收购PayPal(贝宝),创始人马斯克(Musk)突然拥有了一笔1.8亿美元的巨款来资助SpaceX和其他项目。

2002年SpaceX创办时的全部”员工“,右三是这家公司的白痴老板

在四年的碌碌无为后,2006年3月24日,SpaceX终于从厂房推出了第一枚火箭,即猎鹰1号,但是火箭升空后不久就掉了下来,首次试射宣告失败。同年,SpaceX获得了来自于美国国家航空航天局(NASA)的国际空间站商业货运服务研究资金(主页君注:这并不是我们常说的Commercial Resupply Service,CRS合同,而是NASA对于“种子公司”进行的一种资金扶植,可以理解为NASA给SpaceX的天使轮投资),用于运力更强的猎鹰9号火箭的研发。得益于NASA对猎鹰9的支持,马斯克同时取消了较小的猎鹰5号火箭计划。

猎鹰5号,这是一款只存在于设计图上的猎鹰火箭,顾名思义,火箭一级布置了5台Merlin发动机

记得这架前些日子刷爆网络的大飞机么,最早猎鹰5号曾经被选做Stratolaunch 发射系统的空射火箭,当然随着猎鹰5号的取消,这段“姻缘”随之终止

在决定继续研发猎鹰9(Falcon 9)之前,Musk还计划研发一种名为BFR的”终极“火箭(Big Falcon Rocket,当然也有很多人称之为Big Fuc-ing Rocket,翻译君:也是敢想= =),或者是“大到吓人的火箭”,依照他们的计划,这将是有史以来最强大的火箭(根据Musk传记作家Ashlee Vance的描述),专门用来殖民火星。

2007年3月21日,第二次猎鹰1号发射失败。尽管发射是失败的,但美国国防顾问皮特•本登依旧与Musk进行了一场关于如何前往火星的座谈。两人相谈甚欢,而Musk的火星野心也终于开始打动曾经并不看好他的罗伯特•祖布林(Robert Zubrin)。

 

不幸的是,由于SpaceX的接连发射失败以及Musk的电动汽车公司特斯拉同时陷入困境,Musk遭遇了前所未有的资金困境。这时,Musk不得不优先考虑必须先送猎鹰1火箭进入轨道并赚取收益来紧急弥补缺口。

 

2008年8月3日,猎鹰1火箭第三次试射失败,这真是Musk人生上最黑暗的一天。之后,Musk扒开了裤子,只剩下再发射一次的资金了,如果再失败,他就破产了。

幸运的是,2008年9月28日的第四次发射是成功的

虽然这次成功减轻了外界对SpaceX的怀疑,但Musk正在经历一场复杂的离婚案件,同时他的财务状况也正变得越来越糟糕,因为他的公司在经济衰退期间流失了大量的现金。最后,他还是奇迹般的得救了。其中一个是将软件Everdream出售给特斯拉其他投资者,这帮助Musk筹集了2000万美元资金,并最终挽救了该公司。

 

但是,SpaceX的发展仍然需要从外界获取源源不断的资金。很意外的,2008年12月23日,SpaceX击败了众多实力强大的竞争者,被NASA授予了16亿美元的COTS合同(Commercial Orbital Transportation Services,也就是CRS-1合同),根据合同规定,SpaceX需要利用自己的火箭和飞船系统为国际空间站提供货物补给服务。此时,距离SpaceX和特斯拉员工工资发放的最后期限只有几个小时时间, Musk流泪了,他的火星梦想得救了。

 

2009年2月,这是本文的一个关键节点。SpaceX的Max Vozoff在美国航空航天研究所(AIAA)商业乘员/货运研讨会上第一次公开提到了SpaceX正在发展一款名叫”猛禽“(Raptor)的火箭发动机。(主角终于登场)

这是大家最后见到的”猛禽“,但是它最初并非这个样子,中间的故事很长

当时,它的设计指标是真空推力667 kN(68吨,150,000 lbf),比冲高达470s(主页君注:这个比冲即使在氢氧机中也是相当逆天的,秉承了SpaceX一贯的放大炮传),并具备深度节流至50%的能力。和现在的猛禽不同,这是一台氢氧燃料组合的上面级发动机,目的是为当时正在研发的猎鹰9火箭提供一个上面级发动机的升级版本,替代一直沿用至今的Merlin发动机真空版。

人们对于猛禽最早的印象就是这张PPT,循环方式和氢氧燃料组合清晰可见

那个时代的猛禽或许只是扮演着宇宙神V火箭上RL-10A发动机的角色,是一个高性能的氢氧上面级发动机,都和一级的液氧煤油发动机搭配使用

尽管在第二年,猛禽没有被再次提及,但SpaceX在AIAA会议上提出了大型 Falcon X和Falcon XX超级重型运载火箭的概念。

很多航天爱好者应该都见过这张图片

这两款巨型火箭将由非常大的Merlin 2发动机提供动力,Merlin 2的推力为7565 kN(771吨,1,700,766磅,这个推力水平直逼土星五号所采用的F1发动机,也就是上图左一的火箭),海平面比冲285s,真空比冲321s(可以和前面猛禽的470s对比一下)。它是SpaceX的Merlin 1发动机的放大版,同样使用简单的燃气发生器循环,同样是液氧煤油发动机。讽刺的是,在这次公开演说后不久,SpaceX就开始拒绝承认会议上所展示的图片是未来火箭的最终版。(读了后文可以知道,因为这两款火箭都是不能垂直回收的)

 

可以肯定的是,SpaceX未来火星火箭的设计受到了该公司的猎鹰9中型运载火箭设计的影响。 而猎鹰9火箭在2010年6月4日成功首发,这款在当时起飞重量只有318吨的火箭融入了当时航天业界一些全新的设计理念。

这是SpaceX早年的Merlin 2发动机PPT,是不是似曾相识?

猎鹰9的9台一级引擎拥有冗余能力(主页君注:可以在一台发动机失效的情况下通过延长其余发动机的工作时间来确保载荷依旧能够正确入轨,该设计在2012年10月的CRS-1任务中得到了实践,在失去一台发动机的情况下保住了龙飞船入轨),这种设计在1975年美国土星IB火箭上也曾经出现过。同时猎鹰9大胆的采用了共底贮箱设计,以减轻全箭重量并降低火箭的高度。这种高难度设计并不多见,只曾经用于20世纪60年代时代土星火箭、现今的半人马座上面级和阿丽亚娜5号运载火箭(我国火箭也有用,猜猜看是哪款)。

土星五号最早采用共底储箱是一种被逼无奈,这种设计可以节省储箱的一层封头,同时显著的缩短箭长,但对隔热层(比如土五采用的蜂窝结构)有很高要求,而猎鹰9采用这种结构则是一种对火箭性能的疯狂压榨

全新的制造亮点包括采用搅拌摩擦焊来焊接火箭部件和大量使用轻质铝锂合金及复合材料结构,这些均有助于降低全箭干重和并有效的提高运载能力。此外,SpaceX通过使用美国航空工业的成熟加工技术以及采用航天工业用于制造通用的3.66米直径级加工设备,大量使用使用现有的冗余商业电子元件以降低制造成本。因此,Falcon 9 v1.0亮相时,就几乎已经是全世界成本最低的火箭。但是,Musk远远不满足于此,他知道,为了实现火星的殖民化,他需要可重复使用的火箭

 

为了实现这一终极目标, SpaceX采用了双轨发展战略。一方面Musk将大量资源集中在可重复使用的火箭研发测试(现在我们可以知道,他一共投资了约10亿美元,现在SpaceX正准备通过复用发射逐步收回这笔投资),而另一个重点是升级现有Falcon 9运载火箭,以足够强大的性能来提供复用能力(反正老子运力足够,随便挥霍)。

 

2011年,一台被称为“蚱蜢”的配有四条金属腿的猎鹰9一级火箭被制造出来。这台火箭在越来越高的“跳跃”中重复测试了8次,以提供SpaceX在垂直火箭着陆方面的经验。最终,这台原始的蚱蜢在2013年退役,而基于猎鹰9 v1.1一级火箭的更大蚱蜢2(注:别名Falcon 9-Dev)被投入使用。不幸的是,第一台蚱蜢2在第五次飞行中因自动中止系统故障被毁。


我就用这么一个视频来代替,因为他确实讲的比我好,你在这里能看到,SpaceX走到今天这步究竟经历了多少挫折,如果在别的公司,我保证VTVL火箭回收的这个项目已经被砍掉一万遍了

Falcon 9 v1.0火箭在2010年至2013年之间成功飞行了五次,之后,起飞推力蹿升了60%的Falcon 9 v1.1(在传统的火箭研发中,这基本上可以算是一枚新的运载火箭了)所取代。虽然它具有与其前身相同的直径,但v1.1具有全新的Octaweb发动机舱结构,更长的的推进剂贮箱,更高的推力和效率更高的Merlin 1D型发动机。1.1后续版本甚至配备了用于驳船着陆尝试的支腿。2013年9月29日,1.1进行了第一次飞行。此后,它在15次发射中成功了14次。然而,所有3次着陆尝试都失败了。

失败乃成功之母

同时,这种激进的设计进一步的演变成了Falcon 9 v1.2(主页君注:也叫Falcon 9 FT版本,FT意为Full Thrust,但这个称呼在现在来看显然不合适,因为Merlin发动机的推力还在上涨), 2015年12月22日,1.2进行了首次发射,同时Falcon 9一级火箭在其发射台附近LZ-1安全降落。为了实现着陆,Falcon 9 v1.2芯级提供了更可靠的一次性溃缩结构的着陆腿,升级了冷气推进器,改进了再入返回的导航程序,还优化了的格栅舵的结构。

 

同时这枚火箭还创造了低地球轨道(LEO)运载能力最佳性价比的世界纪录,强大的复用能力支撑起了这个记录。此外,1.2火箭除了具有较大推力的发动机,更长的二级推进剂贮箱和强化结构等方面的升级,但它还具有一项独创的设计。

 

F9 1.2使用接近熔点的超低温推进剂来提高其推进剂密度,这在世界火箭发展史上是前所未有的。(想详细了解这种技术的建议参阅这篇文章,【斌哥论箭】Falcon9火箭为何总是推迟发射?–浅谈推进剂致密化应用,此文作者大有来头,值得一看,不过建议看完本文后再读)这项技术使得Falcon 9在相同体积的推进剂贮箱中携带更多推进剂来提高性能成为了可能。值得一提的是,几乎所有猎鹰9的开创性设计将被用于后来的ITS运载火箭。(尤其是超冷低温推进剂这种技术,还有越来越多的复合材料应用)

这种对火箭性能的极端压榨也导致了后来的Amos-6事故

SpaceX的猛禽发动机从2009年2月至2011年4月几乎完全未被提及,当时由工程师Jeff Thornburg负责,并给了他一个小团队来进行发动机方面的工作。由于其优先次序较低,因此进度十分缓慢。

 

截至2012年10月,随着SpaceX在发动机领域技术水平的增长和财务状况的改善,猛禽已经变成了与Merlin 1引擎一样强大的引擎。多台猛禽发动机将为近地轨道运力150-200吨的未来火箭提供动力。

紧接着下个月,Elon Musk又宣布,猛禽将成为一款液氧甲烷燃料组合的火箭发动机,这是实现SpaceX“火星殖民”野心的首选燃料。同时发动机的循环从简单的燃气发生器循环转变为复杂分级燃烧循环,但这种循环能够获得更高的效率和推力。

 

猛禽,可以称得上是SpaceX的未来

甲烷之所以取代了煤油,是因为它更清洁(甲烷的理论燃烧产物只有二氧化碳和水),也因为其更容易设计成一款具备多次启动能力发动机(主页君注:一定程度上这与点火机构的设计和燃料组合的燃点有关),而且最关键的是甲烷能够在火星上就地制取。不仅如此,甲烷也战胜了氢,虽然两者都可以在火星上生产,但因为液态甲烷的能量密度更高,从而允许BFR更轻更便宜。


就地生产返程推进剂的甲烷化反应(也叫做萨巴蒂尔反应)

事实上甲烷的优势不仅如此,气化温度更高,蒸发量更好控制,想知道为什么选择甲烷,请仔细研究下这张图

甲烷也不会导致金属脆化(氢脆),同时液态甲烷的存储温度更高(气化温度比氢要高得多),这允许它存储更长的时间,不会轻易的沸腾。猛禽在2013年10月第一次宣布时,其设计推力为2940千牛(300吨,661000磅)。

不同于其它深空运载火箭,SpaceX计划的特点就是为了降低研发成本,尽可能只采用猛禽一款发动机的不同版本,这是NSF专家组当时为猛禽设想的不同规格喷管

在接下来的几个月内,NASASpaceFlight.com(NSF)成员/专家Dmitry Vorontsov为SpaceX的火星殖民火箭制作了第一版想象图,并做出了重量估计和发射仿真。

主页君注:这个时候,整个火星移民体系都称之为MCT(Mars Colonial Transporter,火星移民运输船) ,此时的NSF专家大多认为MCT的配套火箭称之为BFR(Big Falcon Rocket,呃。。。我想不出合适的中文译名),而火箭上面顶着的巨大移民飞船称之为BFS(S代表Spacecraft),但是NSF上更多的人直接将这个比航天飞机还要大的飞船也叫做MCT。

我们用最后公开的版本来讲一下当时是怎么认为这个组成的

Vorontsov的直觉是,BFR的初始设计将类似于使用9个猛禽发动机的放大版猎鹰9,并在上面级使用单个真空版的猛禽发动机(这就是个放大版的甲烷猎鹰9)。他还评估了三个芯级版本的设计(类似于现在的重型猎鹰),事实上此时的SpaceX也正在对这个方案(三芯级)进行评估。(翻译君:真大佬…,NSF的专家和SpaceX的设计团队不谋而合)

这是当年L2论坛的著名脑洞图

NSF的早期设想工作表明,这枚火箭的光杆9.8米直径版本只有120吨的LEO运力,少于SpaceX所称的150-200吨。三个芯级的版本,起飞重量共计5440吨,采用了28台猛禽发动机(和重型猎鹰类似,3×9+1=28),该版本可以将LEO运力提升至286吨。

 

到2014年初,SpaceX推进部门副总裁Tom Mueller(汤姆•穆勒,曾任TRW副总设计师,算是SpaceX推进部门的核心人物和元老之一,至今仍在SpaceX工作)证实了Vorontsov估计的猎鹰9风格的猛禽发动机配置,也就是一级9个起飞级猛禽,二级一个真空版猛禽。

Mueller还宣布将猛禽发动机的推力增加到4448千牛(453吨,1,000,000磅),并选择火箭直径为10米。而且还确认了猛禽发动机将采用一种罕见但高效的循环方式,称为“全流量分级燃烧循环”(罕见的原文是“rarely used”,因为这种循环的发动机至今为止没有任何火箭实际应用过)。


全流量分级燃烧循环的先驱者,前苏联格鲁什科设计局的RD-270发动机,超级大毒发(有毒燃料组合),逆天火箭UR-700/900的主发动机,但因为种种原因,止步于工程样机状态

基于新的技术参数,NSF重新进行了仿真,新一轮评估显示,光杆版本BFR的LEO运力将会提升至174吨。虽然这个版本的火箭构想已经打破了人类的火箭运力纪录(脑洞超越现实,超越了土星五号),但这个运力水平根本不够让火星得到殖民化,更别提回程了。

 

所以NSF的专家当时相信,SpaceX可能引入了“二次发射”的思路(Dual Launch,这种思路也被经常称之为“在轨加注”)。“火星殖民飞船”(Mars Colonization Spacecraft)携带船员起飞,进入绕地停泊轨道(Parking Orbit),然后与随后发射的“加油飞船”(Tank Spacecraft)对接加油,除保留必要的回程燃料外,加油飞船中的低温燃料全部转移至火星殖民飞船中,随后火星殖民飞船重新点火奔向火星。后来根据SpaceX在2015年10月公布的任务架构显示,NSF专家的猜想基本符合预计,只是SpaceX的“官方版”方案认为“火星殖民飞船”需要多次加油才行。(主页君注:事实上这也是目前ITS方案的关键缺陷之一)

结果是,NSF的人又猜对了,在轨加注果然成为了SpaceX的最终选择

在这种方法中,在最后加油之后,加油飞船将利用剩余燃料返回地球,而“火星殖民飞船”将直接奔向火星。到达火星后,“火星殖民飞船”将用专用设备来将火星的资源就地转换为返程推进剂,就像在罗伯特•祖布林的火星直击方案中所设想的那样。(主页君注:其实MCT的在轨加注是一个很复杂的话题,其实值得展开来谈,今天卖个关子,我们继续原文)

 

随着SpaceX在2014年开始进行部分猛禽部件的测试,Mueller在2014年年底将运载火箭的起飞推力再次上调至66720千牛(6808吨,15,000,000磅,请注意这是光杆版本,这和上面的三芯级版本不同),结果是猛禽发动机的推力再次攀升到7415千牛(756吨,1667,000磅),如果这一版本猛禽成真,它将成为已经人类航天史上推力最大的液体火箭发动机。(RD-170和F1都要甘拜下风,当然这一版本的猛禽还在设计图上)

 

此外,更多的细节出现,SpaceX确认抛弃了多芯级并联的设计(忘记重型猎鹰和助推器吧),转而专注于一个大型芯级,直径在10-15米之间,这也是创纪录的。

这时候的BFR就变成这样个样子了,就是个很粗的棍子,一直到现在,但图中这个700吨级别的猛禽发动机却很可惜消失掉了

这种转变的主要原因可能是由于光杆火箭与多芯级火箭相比性能损失要小得多。随着推力指标的不断升级,NSF的仿真显示,正在考虑范围内的的任何一个光杆火箭的版本都能够将LEO运力提升至300吨以上。

 

进一步的NSF评估还表明,由于其庞大的规模和构想中猛禽发动机的高ISP(也就是比冲,衡量火箭发动机推进效率的一个重要指标,不严谨的来说类似于汽车发动机的百公里油耗),海上回收将只会损失4%的运力,这远低于现有猎鹰9火箭海上回收的运力损失。

 

但好日子没多久,到了2015年1月,SpaceX突然掉头,不再提升设计指标,而是突然将猛禽发动机的推力从7415kN缩水为2255 kN(230吨,507,000 lbf),不过SpaceX并没有提及火箭整体推力或设计方面有哪些变化(主页君注:这就意味着发动机数量相对原有方案直线飙升)。

单发推力指标大幅度下降的结果就是这密密麻麻的发动机,不过这个指标对现阶段的SpaceX显然也更现实一些

由于设计的未来发展方向尚不明朗,Vorontsov的一个团队成员表示,SpaceX采取了一种截然不同的方法。为了节省发动机开发成本,他们将SpaceX在BFR上的发动机数量猛增了三倍,以补偿发动机推力指标下降的后果。这在2015年10月由NSF得到的内部资料所证实。

 

NSF专家评估表明,最新的发动机参数可能意味着重5200吨运载火箭将在12.5米直径的芯级上安装27台猛禽发动机,在第二级12.5米将配置3台真空版猛禽发动机。尽管由于发动机数量的增加,火箭的表现受到了轻微的打击,但仍然能够将高达280吨的货物运送至LEO。

说完了BFR,配套的MCT也处在不断地设计迭代中,2016年NSF的消息证实在2015年“火星殖民飞船”(MCT)正在考虑各种可能的设计。其中有两个方案可能较大。

 

第一个是将MCT飞船作为一种超大型的太空舱(Capsule),配有自己的发动机用于降落火星,这是源自SpaceX积极考虑的设计。

第二种可能是升力体构型(注:类似航天飞机那样),也会有着自己的发动机用于着陆火星。

相对而言,太空舱设计更加可行和保守,但为将会货物、船员和推进剂的载重和空间较小;而升力体结构将为货物、船员和推进剂提供更大的运力和空间,但具可行性和技术验证上相对较差。

事实是,SpaceX选择第一种方案,MCT直接成为了ITS系统的二级

不管方案最终如何,但NSF的专家还是达成了一个共识:就是无论如何设计,MCT太空飞船都将侧面进入大气层以最大化表面积。但不知道MCT是否会在最终阶段垂直降落,正如NSF专家所喜欢的那样;或者是像PlanteMars(法国火星协会)那样倾向于水平着陆(其实这个方案并不那么好,火星表面没有跑道)。

法国人的方案大概是这个状态

后来消息人士透露,SpaceX最重视的一个设计问题是如何布置船员、非加压货舱或者推进剂。有三个基本方案:第一个是将推进剂储箱放在飞船的鼻子上,下方依次是船员和货仓。燃料输送管线将穿过两个隔间直达发动机。(翻译君:前面是储箱后面是发动机,旁边还是管线…也是不怕死,囧)

 

第二个选择是将船员放在最上面,将推进剂储箱放在中间,将货舱放在底部。这种设计令船员远离发动机,但从中穿过的燃料输送管线仍然会危及货舱。

 

第三个选项则是将推进剂储箱放在最底部,这就避免了燃料输送管线的任何问题,但在着陆期间不太稳定,因为着陆时燃料已经耗尽,飞船头重脚轻。(翻译君:Amos-6有话说233)

当时的L2专家构想了多种设计,这是其中更极端的一种设计思路,人员通道直接穿过储箱,便于人员在火星表面下船

除此之外,SpaceX还需要面临一个关键问题:“火星殖民飞船”是否要与火箭的第二级合二为一?(主页君注:目前版本采用的就是这种设计,这是基于可完全重复使用这个目标而来的)从而节省设计成本和任务的复杂性;还是为了最大限度地发挥性能,MCT独立作为火箭的载荷(主页君注:这是传统模式,比如阿波罗登月时期,飞船和登月舱与火箭是分开的)。鉴于过多的可能性,到2015年7月,NSF专家为火星殖民运输载具的太空船确定了二十多种可能的设计。(翻译君:你们的肝还好吗…还是又要献祭工程师的头发了o(╯□╰)o)

这也是当时的一种设计方案,可以清晰地看到,这个版本设计中,火箭有标准的可回收一级和二级,MCT飞船则单独作为三级,这和现在的二级和飞船合二为一的版本迥然不同

这时候,一切看起来似乎都一帆风顺,爱好者和工程师们都可以用心去脑洞和完善SpaceX的”火星火箭“了,但是常言道——天有不测风云。SpaceX在2015年6月28日在执行国际空间站第7次货运任务时遭遇了惨痛的发射失败,火箭凌空解体,由于事故调查期间无法执行发射,给公司造成了高达2.5亿美元的亏损。因此,SpaceX的“火星计划”的最终公布和定稿无奈只能被推迟到公司恢复发射之后。

 

(未完待续)

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