【原创文章】SpaceX“行星际运输系统”的演变(三)

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随着这篇万字长文内容的深入,校对和配图任务愈加繁重,所以推出的晚了一些,但从这期起,ITS的庞大架构和更多设计细节逐步暴露出来。NSF论坛对于ITS的分析和猜测也与SpaceX的公开版本越来越像,证明两者的设计思路是基本一致的。虽然未来这套方案仍会如猎鹰9一样不停迭代,但是其思路的新颖性还是不由得使被传统载人登火方案束缚的我们眼前一亮。

原作者Phillip Gaynor,Dixon通译全文,FP校对,跆拳道大灰狼排版配图,今天是第三期。

 


The Evolution of the Interplanetary Transport System

行星际运输系统的演化

By Phillip Gaynor

(第三期)

每一期都要搞一个镇楼图是不是?(惟愿此图有生之年能够成真)

首先重新澄清几个名词:

MCTMars Colonial Transporter,这是SpaceX火星任务架构最早的名称,在去年9月正式公布之前,这一直都是最通用的叫法。

ITS:Interplanetary Transport System,这是SpaceX在去年9月正式公布后对整个运输系统的新名称,改名的主要目的是为了表达这套系统不止能够前往火星,也可以前往太阳系的其它星球。

MCT飞船:也就是现在的ITS飞船,指的是SpaceX设计的能够前往火星的移民飞船。

BFR:Big Falcon Rocket,这是在MCT时代的叫法,后来改名叫ITS launch vehicle,指的是将MCT飞船送入轨道的火箭部分。

加油船:一般称之为Tanker,专门为MCT飞船进行在轨加注的一种飞船,其实它只是MCT飞船货运版的一种。


正文开始:

虽然CRS-7爆炸事故暂时中止了猎鹰9火箭的发射,但是SpaceX继续在“猛禽”发动机的研发中取得新的进展,燃气发生器在同一个月进行了全推力测试。到了2015年8月,马斯克正式宣布猛禽的液氧:甲烷为混合比为3.8:1。而关于MCT最终设计的辩论在2015年10月基本结束, SpaceX对NSF正式透露了比以前更加详细的计划。(翻译君:果断亲儿子= =)

2015年6月在斯坦尼斯进行的“猛禽”富氧预燃室喷注器测试

(”full-power test of the oxygen-rich preburner  component”)

SpaceX的计划是火箭芯级直径12或15米(这已经是世界最最粗了),整个BFR为两级完全可重复使用(请注意是完全可重复使用的),起飞重量高达5000到6000吨,236吨的预计近地轨道运力是人类已有火箭霸主土星V号的两倍。除此之外,相关文件显示,为了凑齐MCT飞船前往火星的燃料,SpaceX计划在停泊轨道为出发去火星的MCT飞船进行3-5次在轨加注。(主页君注:多次大规模低温燃料在轨加注,航天史上尚无先例,同时也是目前这个计划的致命问题所在,因为3次甚至更多的在轨加注会面临复杂的发射协调问题,1-2次是一个合理范围,所以我可以断言新版的ITS计划中一定会想办法缩减在轨加注的次数或采取替代办法,立帖为证

 

接下来,在满载货物与100名殖民者或船员的情况下,进行3至5个月的深空飞行来前往火星。一旦到达火星,它将进入火星大气并通过大气阻力和发动机的反向推进来组合减速。早期的计划要求建立一个初始的火星基地(科研前哨站),接下来通过着陆10艘类似的太空船,并使用火星起重机和工程机器人来启动初步的返程推进剂生产线。

未来的火星表面,图片来源见水印

基地和推进剂生产线的能源将由小型核反应堆和太阳能电池板阵列供应。计划要求派遣至少10名殖民者和船员到火表进行最初的载人任务,以确保火星基地能够正常运转。然后,MCT飞船将在每个窗口期返回地球,以便可以在地球上重新整修,进一步装载货物,并准备下一个窗口的发射。

 

虽然这个计划类似于祖布林博士的“火星直击”,但SpaceX计划的特点是有在轨加注的环节,祖布林的计划中不仅没有,而且他本人还极端厌恶在轨加注(“火星直击”顾名思义,直奔火星,不在地球轨道做任何停留)。

“火星直击”的思路很明确,最小化发射质量,直奔火星,回来的问题交给ISRU

之所以有如此大的区别,就在于因为SpaceX计划要求整个运载系统都是完全可复用的。这就使得SpaceX的计划中不得不多出来一个“在轨加注”环节,而在轨加注所使用的飞船(英文名为Tanker,我们简称为“加油船”)和MCT飞船采用相同的、可通用的一级火箭。发动机数量如同Vorontsov的团队预测的那样:它将拥有27款猛禽发动机,与SpaceX即将推出的重型猎鹰(Falcon Heavy)运载火箭相匹配。(后来由于猛禽降低推力而定格到42台)

每次审视SpaceX的未来火箭时,都有一种N1后继有人的感觉

这是自前苏联使用30台NK-15发动机的N-1火箭之后发动机数量最多的火箭。仅推进剂质量就比整个土星V或N-1运载火箭的起飞质量还要多。仿真显示一二级间的理想分离速度也将比当时的猎鹰9号快得多。

 

NSF专家的仿真表明,BFR的一级可以飞行500公里(高度为200公里)或刚刚超过1000公里(高度16公里)(可以理解为高抛弹道或者是最远射程两种模式)。 SpaceX的文件同时显示了BFR一级和二级(MCT飞船)的复用计划,一级能够重复启动15次以上,在两个部分都复用的情况下,LEO的有效载荷会下降到200吨左右。

 

NSF专家很快意识到只有在海上驳船或在下降段上的就近岛屿进行降落才能尽可能减少完全复用带来的运力损失(主页君注:当时论坛的网友已经开始帮SpaceX在大西洋上挑选无人岛了)。这使得运力损失(估计范围从4-12.5%)远远低于将芯级返回发射场所造成的近50%损失。

 

关于飞船和货运版的细节比较少,尽管两者都是60米长、垂直着陆和升力体设计,并且能够对接和加注/接受推进剂。一级起飞时与MCT飞船/加油船阶段的推力比为5:1,而大多数火箭的一二级推力比则为8:1或更高。

ITS设计中加油、货运、载人都是一种船型通用,这个思路其实有些像F-35,图为专门的无人货运版构想图

NSF专家认识到这一比例意味着飞船上会有5台真空版的“猛禽”发动机(真空版=大喷管),并认为这种较低的推力比是由于SpaceX试图修改一级火箭的速度变化量(减小一级火箭提供的Dv,更多的依赖于在轨加注),以便可以更容易地重复使用。后来的消息来源透露,中央3台针对大气层内优化的“猛禽”发动机也将用于着陆。这种发动机布置方式在发射中虽然增加了发动机冗余,但具有增加更多干重的缺点。

在一种载人航天器上同时使用一款发动机的两个版本十分少见,即使是航天飞机的3台SSME也不过是一种大气层内工作和真空环境工作的折衷设计

MCT飞船本身将在顶部设置一个宽敞的生活舱。为了运送货物,MCT飞船还在猛禽发动机上方安装了一个位置较低的货舱,发动机通过穿过货舱的一对中心管输送燃料。这种布置方式可以在垂直着陆后更方便的卸载重型货物,比如车辆或小型核反应堆。(翻译君:@马特达蒙,RTG取暖器233)

网友制作的MCT飞船内部布置,仅供参考

MCT飞船和油轮将由五个可伸缩的着陆腿支撑,而不会像猎鹰9的腿一样折叠在外。(主页君注:当时构想是5个,后来实际是3个腿;由于是彻底的重复使用设计,所以不会像猎鹰9一样可以不安装支腿)这些计划没有提到飞船的发射中止系统(launch abort system也就是逃逸系统),这使得许多NSF专家感到惊讶。因为这个载具将一次运送100名殖民者。关于SpaceX究竟是觉得不需要有这个系统,或者根本就没有设计发射中止系统,这是有争议的。(主页君注:这是笔者认为的ITS方案目前的另一个主要缺陷)

 

虽然运载火箭将模仿猎鹰9 v1.2版使用预冷推进剂组合,并使用多个版本的同型号发动机实现所有功能。但还是有一项关键的设计差异,也就是整个MCT系统,无论是火箭还是飞船,其推进剂储箱都将由碳纤维材料制成,而非现有的铝锂合金,这种激进的设计将使火箭变的更加经济。(翻译君:再次@Amos-6)(主页君注:碳纤维储箱目前仅有刚刚首射的“电子”运载火箭采用,但“电子”是一款一次性运载火箭,而且箭径很小,和ITS不可同日而语,目前大直径碳纤维储箱技术储备最雄厚的是波音,但是波音并没有将其实用化)

SpaceX的复材储箱实验件,后来被拉到海上进行加压实验,最终结局不提也罢

此外,MCT飞船和BFR也不会像许多美国火箭与猎鹰9一样设置有氦气增压系统(这也是猎鹰9迄今为止仅有的两次失败的相同失效点)。相反,SpaceX将使用两种推进剂的气体形式来自动加压储箱(主页君注:也就是常说的“自生增压”,self-pressurization,这是一个很大的改进,不过目前还没有详细的实现细节),这种增压方式仅使用了不到1%的有效载荷就解决了一个重大隐患。

 

这些文件还揭示了其他燃料和氧化剂组合正在考虑中,也许最合理的替代方案是C2H4 / O2(乙烯/氧气),当然这些组合最后都被放弃了。

 

无论火箭直径最终如何选择,计划中提到的巨大的BFR将是有史以来最强大的近地轨道运载火箭,其运载系数(有效载荷在起飞重量中的占比)相对于该纪录目前保持者猎鹰9 v1.2运载火箭(发射质量的4.15%,主页君注:该数据存疑,但是先这么看)提升了1%。这意味着,在相对百分比的基础上,ITS有效载荷占发射质量的百分比将比第二名最有效率的火箭大25%。然而,它的推重比为1.3比1,这意味着运载能力可能还有更大的提升空间。

 

NSF组建了顶尖专家的设计团队,由火箭设计师Dmitry Vorontsov和Chuck Longton(DIRECT项目的联合创始人)担任顾问以研究确切的数据和设计元素。NSF设计团队迅速得出了最可能的设计,它是一款105米高,15米直径的两级运载火箭,约5500吨。当他们将新的仿真数据写入文档来填补之前的漏洞时,又发现了数个新的事实。

 

第一个是之前计划总结提到的180米高度可能已经过时了,因为火箭的推力限制,火箭高度需要更低。而且之前的运力数据也很可能是保守的,因为模拟显示,使用碳纤维复合材料储箱和猎鹰9风格的干质比优化方式,BFR火箭的LEO载荷已经超过了280吨。

NSF专家还指出,该设计需要在火星表面的太阳能阵列产生大约100千瓦的功率,以支持100名殖民者和船员。由于火星接收到的太阳光仅有地球的36-52%,所以MCT飞船的太阳能电池板阵列将需要在地球附近产生超过200 kW的功率,以满足火星阶段的最低功率要求。

不用想了,这个数量肯定是不够(摘自电影《火星救援》)We need more and more.

NSF专家认为最有可能为殖民地提供动力的核反应堆类型将是一种紧凑设计的钍基燃料熔盐反应堆,因为这将能够利用火星广泛的钍元素储量。

 

NSF设计团队还注意到一些其他方面的重大问题,包括上面提到的发射中止系统(逃逸系统)的缺失,以及在火星着陆和起飞时发动机或飞船可能发生碎片撞击。模拟显示,飞船的猛禽发动机在起飞时将释放相当于5级飓风的力量,这将增加碎片撞击的风险。(主页君注:这也是一个重要的问题,因为火星表面是无发射场起飞,即使事前清理过发射现场,其保障能力和地球相比也是天壤之别)

(摘自电影《火星救援》)

外星球无保障起飞人类并非没有做过,只不过SpaceX这次难得多

2016年2月,有消息来源证实了设计进展中的一个新细节。SpaceX选择了一个81米高,12米直径的设计方案,起飞推力约为土星V的两倍;而之前另一个更大的方案,88米高,14米直径,三倍于土星V推力的方案则被废弃。方案被废弃的可能原因是:根据估计,12米直径的设计所需要的发射安全疏散区比14米要小得多(翻译君:SpaceX是被炸出心理阴影了吧…),大约8公里(5英里)这。此外,猛禽发动机的推力减少了13%,达到1961千牛(440850磅/平方英尺),设计架构也随之发生变化。

 

这时BFR将配备42台猛禽发动机,起飞重量82362 kN(18,515,700 lbf,8000吨级别),比以前增加了32.5%。燃料混合比3.58:1(液氧:甲烷),装载约3650吨推进剂。它将通过使用储箱增压气体驱动的RCS和格栅舵的组合作用下精准降落在发射台附近,而不是在海上。这种变化将使SpaceX牺牲大量运力以换取复用发射流程的简化。

 

MCT飞船也发生了更加剧烈的变化,从60米长缩减至41米,而所有货物和船员现在位于顶部。这种布局战胜了其余两个备选布局(上一期我们讨论过这两种布局)。第一个布局推进剂贮箱在鼻子,然后是加压的乘员舱,然后加压货舱夹在储箱和发动机之间。这种布局卸载货物和船员十分方便,并且由于底部沉重,提高了着陆期间稳定性。但不幸的是,由于推进剂管线穿过成员舱和货舱,它的船员安全性最差,货物空间也减少的最多,飞船干重最大。

右图可见当前版本的内部机构,最显眼的是共底储箱,图片来源见水印

先前的默认布局通过将船员移动到顶部来解决船员的环境问题,将推进剂罐放在中间,并将货舱放在底部。这种布局提供了更大的着陆稳定性,代价是船员下船不太方便,但最终因为船员和货物部分放在一起更有利的原因而被放弃。现在使用的布局(从上到下顺序为船员-货物-推进剂)比前两个布局轻9%和8%,这对MCT飞船从火星返回地球提供了巨大优势(主页君注:细心的人可能会注意到,SpaceX目前的宣传片仅仅到抵达火星就戛然而止了,没有提及如何返回地球。但是参考火星直击的思路,MCT飞船返回时是应该是,也只能是SSTO单级入轨,这就对MCT飞船干质比提出了相当苛刻的要求,这也是设计中疯狂降低干重的原因所在)。这种设计提高了与货运版之间的通用性,这将有助于减少制造和设计费用(主页君注:这是SpaceX设计的一贯特点)。这些优点的价值远远超过了降低着陆稳定性和卸载货物不方便这两项缺点。

其实,你们真的想多了,卸货的问题老马早就想好了

SpaceX将通过添加起重机的方式来弥补这种布局在火星上装卸货物不便的问题。而船员则通过一个出口通道从容积为1100立方米的加压居住舱下降到火星表面。除了这些变化之外,飞船还增设了第6台真空版“猛禽”发动机,将MCT飞船上的发动机总数提高到了9台。(这时,从发动机布置角度,NSF论坛的仿真分析就已经与SpaceX的官方设计完全一致了)

真空版“猛禽”发动机的长度为5.5米,直径为3.8米,着陆版“猛禽”尺寸则要小得多。(主页君注:在通常的运载火箭中,这种发动机一般称之为“起飞级”发动机,喷管膨胀比的设置是根据火箭起飞阶段稠密大气层中的最优化推进效率而设计的,但是在MCT飞船上,这种发动机只有在进入大气层和着陆反推时才需要使用,所以称之为“着陆版”,landing engines)所有9个发动机将在一二级分离后一起启动以尽量减少重达1750吨的MCT飞船的重力损失,紧接着“着陆版”发动机将在推进效率下降到一定程度时关闭掉。发动机从储存有1450吨推进剂的储箱中泵取燃料,同时被一个特制的级间段壳体保护着,但这个壳体只覆盖发动机而不包括喷管。

请原谅我毁了这张图片,不过目前的ITS设计中迎风面大底得到了延伸,也保护了部分发动机喷管,但是看起来并不具备气动翼面的功能

ESA的这种设计中,只需要调整角度,就可以对飞船的再入姿态进行调整

这种设计并不鲜见,航天飞机就像一座宝库,时不常就有人来取经

(图片来源:主页君自己拍的)

这种设计可以用最小的质量提供最大限度的保护。(翻译君:还有省钱对吧(斜眼))(主页君注:“猛禽”和“梅林”一样,都是通用设计,唯一区别就在喷管上,但马斯克在近期的推特答疑中提到,由于“猛禽”发动机需要并列布置,不能再使用梅林真空版的辐射冷却(Radiative cooling),而是全部采用再生冷却(Regenerative cooling),这进一步推高了“猛禽”的复杂性和成本)

马斯克在推特上回答网友对猛禽真空版冷却问题的疑问,嗯,这是个很特别的“技术向”老板,也是SpaceX一贯的特色,从不躲在通稿的后面

MCT飞船及其加油船都将以特定侧面进入大气层(主页君注:原文为enter atmospheres on their sides,我认为其实是指MCT飞船采用了类似航天飞机的升力体再入设计,仅在进入大气层的迎风面布置PICA-X防热结构)。 

这就是ITS的目前的再入方案

SpaceX曾经考虑过返回舱式的设计(类似于已有的载人飞船,比如联盟号和阿波罗),但是在发现这种结构下保护发动机非常困难之后,就采取了混合方案(主页君注:其实也不是完全不能,目前载人龙的逃逸发动机就是这种布置思路,见下图)。

这是当时L2区对MCT飞船的另一种猜测,其实就是放大版的载人龙飞船,发动机布置在侧壁,底部是巨大的PICA-X防热结构

相比之下,升力体再入可以将热量更广泛的散布在防热结构上以保护发动机,且由飞船结构与防热结构一体化的优势,可以进一步降低飞船干重。

 

在NSF专家Dmitry Vorontsov(翻译君:大佬好(鞠躬))构想的一个改型中,SpaceX修改了油轮的设计方案以增加燃料容量,可以容纳1650吨推进剂。这种变化能够将更多的推进剂送入轨道,然而它27米的长度使得它这将比火星船短得多。

为了将飞船从升力体再入姿势转为垂直着陆姿势,SpaceX考虑使用气动翼面、矢量发动机、差速节流的组合来实现(主页君注:差速节流是指调节不同发动机的推力节流水平)。

MCT飞船(ITS飞船进入火星大气直至降落的过程),图片来源见水印

整个飞行过程中,舱内成员的重力和坐向变化

(未完待续)

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