【原创文章】猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革

引言

经历了十余年的发展,太空探索技术公司(以下简称SpaceX)的猎鹰9号火箭最终版终于初露端倪。作为SpaceX最主要的运载火箭,猎鹰9号从首飞到现在经历了大量设计上的变革,但从现在开始,为了满足NASA的载人需求,火箭需要在固化设计后连续完成七次发射,因此SpaceX不能像之前那样每次发射都对火箭改进一点点。是时候将这份蓝图画上句号了,而这份蓝图的标题叫“猎鹰9号 版本1.2 构型5”(Falcon 9 V1.2 Block5,以下简称F9B5)。本文原作者MaxHawkins,译者:给虫,科普视频翻译组唯一成员

即将到来的Bangabandhu-1任务将是F9B5的首秀,这一方面让无数SpaceX的粉丝感到一颗赛艇(exciting),另一方面也让猎鹰9号火箭的进化史更加扑朔迷离。而单纯的说“提高推力”、“重新设计引擎”这类敷衍的话你们又不高兴,所以我整理了这篇文章,详细列出了从最初送龙飞船到国际空间站的“猎鹰9号版本1.0”一直到如今可以多次复用的F9B5的整个进化史。


版本1.0 构型1

猎鹰9号的故事开始于“猎鹰9号 版本1.0 构型1”,它只发射了五次,三次为满足NASA要求的演示飞行,两次为龙飞船的国际空间站补给任务。即使是如此早期的版本,SpaceX都从设计上考虑了“重复使用”这个概念。“猎鹰9号 版本1.0 构型1”测试过它的回收系统,目的是最后让一级箭体利用降落伞缓慢落入水中。然后这个计划后来失败了,因为箭体和降落伞在再入大气的时候被摧毁,最后等待的回收船只回收到了一级火箭的部分碎片。

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革猎鹰9号版本1.0构型1

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革

马斯克身后的三个黑色物体就是回收用的降落伞包,当然结果很惨烈

版本1.0 构型2(未生产

在“猎鹰9号 版本1.1”设计之前,SpaceX曾经打算延长“猎鹰9号 版本1.0 构型1”到180英尺/55米,仍使用梅林1C发动机(即“猎鹰9号 版本1.0 构型2”)。这个版本的猎鹰9号因SpaceX之后更大、改进更多的“猎鹰9号 版本1.1”的到来而夭折。


版本1.1

在使用“猎鹰9号版本1.0构型1”满足了NASA的合同需求后,SpaceX回到正轨,升级了猎鹰9号火箭,设计了“猎鹰9号 版本1.1”。提升了80%运力,离完全复用的目标更进一步。 

升级内容: 

  • 发动机从梅林1C变为梅林1D
  • 延长火箭一级、二级
  • 一级底部发动机从3×3排列变为环形排列(Octaweb)

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革左侧为3×3排列 右侧为环形排列

  • 首次使用5.2米/17英尺直径整流罩
  • 首次尝试反推着陆——三引擎再入点火与单引擎着陆点火
  • 简化一二级连接——从9个硬件接口、三个用于分离的推杆部件变为三个包含推杆的连接器。马一龙:“我们把分离时12个会出错的部分减少到了3个。”
  • 提升产量
  • 加入栅格舵以控制一级再入大气和下降过程——首次同时使用开环、闭环液压系统(这个是按照应用闭环液压系统的时间来估计的)

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革未上涂层的栅格翼 图片来自SpaceX

  • 升级航电——引入三冗余飞控计算机,基于龙飞船已飞行验证(flight-proven)单元设计新软件。马一龙:“你可以随便朝一个航电箱上开一枪,火箭该咋飞还咋飞。”(“You could put a bullet hole in any one of the avionics boxes and it would just keep flying,” Musk said. )

 

科普视频——SpaceX的软硬件设计,同为本文译者翻译,视频非常不错,推荐观看,有兴趣了解本译者其它视频的可以关注他的微博“给虫”或B站账号(G4Y8u9)

  • 为再入大气而加强底部隔热罩

  • 梅林发动机可靠性提升——高效生产流程、提升组装的自动化程度、减少零件数量

  • 梅林1D发动机从95,000磅力提升至140,000磅力(43吨提升至63.5吨)

  • 一级首次可节流至70%,取代分离前关闭部分发动机,火箭现在可以通过缓缓收油门来控制加速度

  • 移除梅林1D发动机上部分结构——每台发动机减重1000磅(0.45吨)(含矢量推力控制系统)

  • 升级梅林1D发动机的推进剂加注系统——使用一个单元替换原两个燃料、氧化剂阀门

  • 提升梅林发动机燃烧室、喷嘴的热极限

  • 增设发动机之间耐热隔间,防止发动机爆炸时波及其他发动机

  • 改进燃烧室制造工艺——马一龙对此津津乐道:“大量生产发动机最难的部分就是发动机燃烧室的镍钴合金镀层,我们制造了一个厚金属罩,用它来承受加压容器的绝大多数压力,之后它能一次镀上一层原子。镀层算是金属元件制造里最慢的工序了,而对于梅林1D发动机,我们那个金属罩是通过爆炸生产的,拿一个金属板,卷成圆筒,放水里,再在中间引发一次小爆炸,这样圆筒就轰的一下和外壁贴上了,变成我们想要的金属罩了,非常高效。接着把它放到燃烧室上,通过加热来镀层,一天能做好几个。

(主页君注,这段工艺描述比较复杂,我们未能确认其对应的中文工艺,因此贴出原文“,望高手解答:The hardest part of the engine to mass produce is the electroplating of nickel-cobalt on the chamber. We create this thick metal jacket that takes the primary stress of the pressure vessel and it’s plated one molecule at a time. Plating is about the slowest way you can make a metal thing. With the Merlin-1D we take a metal jacket that is explosively formed. We take a metal sheet that’s in a cylindrical form and put it in a bucket of water, effectively. Sort of a concrete pool. And you set off an explosive and the jacket just goes “boohmp” and forms to the outer side walls into a jacket shape, so you have a mold, effectively. And then you just put the jacket on the chamber and braise it on. You can do several a day.”)

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革工作中的梅林发动机 图片来自SpaceX


版本1.2 构型1-3 

猎鹰9号版本1.1”让SpaceX离火箭回收更进了一步,而下一个版本,即“猎鹰9号版本1.2”则让他们实现了这个很多人认为不可能的事情——回收一级火箭——其升级包括提升发动机性能与为回收而做出的结构改变。尽管这些一级火箭理论上可以复用2到3次,但SpaceX从未使用这个版本发射超过两次。

升级内容:

  • 运力提升33%——允许完成同步转移轨道任务后使用无人拖船回收

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革“我当然依旧爱你”——SpaceX在东海岸的无人拖船

  • 继续提升发动机推力——2017年6月,格温(SpaceX的首席运营官)表示他们在测试中使梅林发动机的推力达到了240,000磅力(109吨)——“为了让发动机适配‘猎鹰9号版本1.1’,我们不得不人为限制发动机的研发(原文:draw a line on engine development)。但随着梅林发动机的研发,我们注意到其还有很多上升空间,所以我们决定继续榨干发动机的性能。”

  • 预冷推进剂——通过从液氧的-297℉(-182.8℃)开始继续降温至66K(原文未提,译者补充),液氧密度从70磅/立方英尺提升至75磅/立方英尺(1121.3千克/立方米提升至1201.4千克/立方米),密度提升了7%

  • 梅林发动机可深度节流至40%

  • 升级栅格舵——涂层的铝合金格栅舵改为无涂层、整块切割的钛合金格栅舵。虽然更重,但“应该可以无限次飞行而无需修复”

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革左为旧款铝制栅格翼 右为新款钛制栅格翼

  • 加长级间段(interstage)

  • 修正结构以适应流水生产——格温引用说打算只保留两条生产线——一条生产重型猎鹰芯级,一条生产重型猎鹰两侧助推器或猎鹰9号一级

  • 修正环形排列网配置(Octaweb)

  • 升级一级着陆架

  • 提升二级梅林发动机推力

  • 延长二级发动机喷嘴(Nozzle)

  • 提升二级推进剂加注量

  • 电子设备微小改进

  • 首次使用整流罩版本2.0——略微加大,并增加硬件设备使整流罩可回收。在Paz卫星任务分离后,其中一片升级后的整流罩使用自带推进器与翼伞导航回收,最后虽然错过了回收船几百米,但还是完好无损地落入水中

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革整流罩版本2.0在错过回收船后浮在海面 图片来自SpaceX


版本1.2 构型4

这一代公布的具体更新并不多,能找到的唯一的实锤是发动机的升级。据格温说,“猎鹰9号 版本1.2 构型4”主要用于“猎鹰9号 版本1.2 构型3”至F9B5过渡。而这三个版本之间的区别也被SpaceX所擅长的“每次只改一点点”策略弄得更加迷离。在制造方面影响很小的情况下,设计上的变动可以连续地实现,而不用突然间来一个超大的更新。

这里值得注意的是“猎鹰9号 版本1.2 构型4”的首秀,在整枚“猎鹰9号 版本1.2 构型4”发射之前,它的二级曾被安装在猎鹰9号之前版本的一级上面,这个“杂交火箭”发射过NROL-76、Inmarsat 5和Intelsat 35e。这一消息让大众普遍认为,“猎鹰9号 版本1.2 构型4”的更新还包括了适配军方载荷与二级性能的提升。

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革CRS-14任务 二手火箭配二手飞船 图片来自SpaceX


版本1.2 构型5

终于到头了——至少暂时要冻结设计了。F9B5一方面要满足NASA的载人需求,还要演示火箭的快速可靠复用。SpaceX的火箭现在需求量很高,但格温表示SpaceX现在希望“少造新火箭,多射二手火箭”。这话在几年前简直是遥不可及的科幻,但现在是触手可及的现实。SpaceX设计F9B5就是为了满足这一长远的航天愿景。同时因为火箭必须冻结设计并成功发射至少七次来满足载人认证,在可预见的未来内F9B5还要服务相当多的SpaceX的客户,这当中总共包含120亿美元的发射订单,使得F5B5必须有大量改动,来满足上述目标、降低前往太空的成本。

升级内容:

  • 黑色的级间段、着陆架、燃料管线

  • 可收回的着陆架(之前伸出来后只能拆掉)

  • 重新设计COPVs(碳纤维缠绕压力容器)——避免Amos-6爆炸事故的重演,同时应对多次复用

  • 重新设计涡轮泵——NASA发现回收后的火箭在涡轮泵叶片上发现裂纹,因此要求SpaceX重新设计其梅林发动机的涡轮泵

  • 其他梅林发动机的总体改进——提升工作推力至190,000磅力(86.2吨)

  • 重新设计、认证活动组件——阀门以满足多次复用

  • 重新设计发动机环形排列网——螺栓连接取代焊接

  • 为复用优化——小修飞十次、大修飞一百次

  • 终极目标——“24小时内飞两次”(鬼才信呢,主页君注)

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革

Block5构型火箭发射的CG图

猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革

正在德州试车的第二枚Block5一级,编号1047,清晰可见黑色的级间段和Octaweb 3.0结构


然后聊聊梅林发动机吧!

猎鹰9号的每次一升级都伴随着梅林发动机的性能提升,每一版本,甚至每一个构型,其推力都有所提高。最初的梅林发动机推力只有60,000磅力(27.2吨)(所以曾经叫“60K”),但有消息指出现在其推力可达到240,000磅力(109吨)。推力提升四倍,而发动机还减重了!这也是为什么发动机名字从“60K”改叫“Merlin”(准确翻译是“灰背隼”,是隼属“Falco”的一个种)。 

粗略估计发动机重量为1000磅(0.45吨)的话,按照之前提到的最大推力——240,000磅力——梅林的推重比将达到惊人的240!虽然以此作为发动机性能评判指标有些钦定的感觉,但这逆天的推重比依然让我们不得不佩服SpaceX的发动机制造水平。


总结

猎鹰9号的进化史可以说是又臭又长蜿蜒曲折,最初的“猎鹰9号 版本1.0 构型1”经历几次大改与无数次的内部小改进,终于成长为F9B5。这中间火箭的名字也多种多样:“猎鹰9号 版本1.0”、“猎鹰9号 构型2”、“猎鹰9号 版本1.1”、“猎鹰9号 升级版”、“猎鹰9号 版本1.2”、“猎鹰9号 构型3”、“猎鹰9号 版本1.1 全推力版”、“增强版 猎鹰9号”、“全性能版 猎鹰9号”、“猎鹰9号 构型4”、“猎鹰9号 版本1.2 构型4”、“猎鹰9号 新设计”、“猎鹰9号 构型5”、“猎鹰9号 版本1.2 构型5”和“猎鹰9号 版本7”。

别搞混了,主要的几代按照功能很好记(或者对于局外人来看的所谓的“功能”),本文使用的是最广泛的版本号:“猎鹰9号 版本1.0”、“猎鹰9号 版本1.1”、“猎鹰9号 版本1.2 构型1-4”、“猎鹰9号 版本1.2 构型5”。

最初的“猎鹰9号 版本1.0”单纯的为了满足NASA的合同——给空间站送快递;合同初期阶段完成后,SpaceX就该升级自己的火箭、测试新设计、提升性能、考虑回收,进而为商业载荷服务了,于是出现了“猎鹰9号 版本1.1”;几次着陆尝试后,SpaceX更新设计图,加上军方载荷与同步转移轨道载荷的需求给火箭带来了更多设计修正,每次改动一点点,终于来到了“猎鹰9号 版本1.2 构型1-4”;接下来是NASA载人的合同,要求SpaceX冻结设计,而最后的升级包括提升安全性、复用可靠性与性能的终极提升,猎鹰9号终于进化成完全体——“猎鹰9号 版本1.2 构型5”。

(全文完)


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