【原创文章】万物难逃真香定律?SpaceX新搞的垂直总装发射架是干啥的?

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万物难逃真香定律?SpaceX新搞的垂直总装发射架是干啥的?

本文作者:Saturn V,本号授权发表,所有打赏将直接给作者

万物难逃真香定律?SpaceX新搞的垂直总装发射架是干啥的?

现如今每天都能看到无数关于SpaceX的新闻,一方面这利于大众更加了解太空探索,但却在另一方面掩盖了重要的信息。2月份当大家纷纷争论SpaceX星链组网和又双叒叕爆炸的星舰测试机时,美国联邦航空管理局(FAA)公布了SpaceX卡角发射场一系列改造扩建的环境评估初稿,最引人关注的却是一个过去18年和SpaceX没有任何关系东西——垂直整合发射架。随后重型猎鹰(Falcon Heavy,简称FH)在未来5-10年内的发射数量预估,更印证了一个颇有趣但在数年前根本无法想象的发展。
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SpaceX计划的移动服务塔(Mobile Service Tower,简称MST)
现代火箭一般分为两种发射方式,水平整合和垂直整合(亦称垂直总装,按作者原文未作修改,主页君注),顾名思义及火箭的各个部件,第一级,第二级,助推整流罩载荷等,是以水平状态组合还是以垂直状态组合。垂直整合的优势在于不需要火箭立起装置因而火箭可以造的更大,土星五号火箭和航天飞机都是采用垂直整合,但缺点是造一个能“罩”住火箭拼装的建筑价格不菲,卡角的航天器装配大楼在1964年建造的时候斥资达2千4百万美金,约合现在将近2亿美金,还没有算上拼装好后移动发射台的建造费用。与之相比水平整合由于火箭的拼装在平放状态下完成,只需要一个立起装置常规的大型厂房即可胜任,讲究效率和简化过程的SpaceX自然是选择了后者。猎鹰9和重型猎鹰火箭都是在距离发射台不远的厂房中拼接,推至发射台后由立起装置转为垂直发射,节省了大量辅助设施的建造维护费用。
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既然水平整合这么符合SpaceX的理念,那这个移动服务塔(MST)是干啥的呢?难道SpaceX也真香了?这还要从另一款火箭说起,具体而言,2018年把现役最强运力火箭头衔递给重型猎鹰的重型德尔塔IV火箭(Delta 4 Heavy,以下简称D4H),更具体而言,是为啥这款火箭要到2023年才退役。
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仔细看所有的发射都是NROL(NRO-Launch)
 
作为德尔塔IV型火箭家族中运力最大的一款,D4H到退役时已经距离2002年首飞有21年之久,在航天科技日新月异的现在,为啥还要再使用这么老的火箭?事实上2019年8月22日是德尔塔IV非重型的谢幕演出,后续所有发射只有D4H且都是美国国家侦察局的任务(NROL),也就是说有一种载荷其质量超过了德尔塔中型的载荷能力,但却必须通过D4H来发射。那么D4H作为一款老火箭有什么独特之处嘛?还真有,那便是整流罩。
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D4H最大的5米整流罩和SpaceX现役最大整流罩
万物难逃真香定律?SpaceX新搞的垂直总装发射架是干啥的?
 
在SpaceX加大整流罩内部空间之前,D4H还有实际载荷空间最大的火箭这一不太为人知的头衔(注:单计算空间宇宙神V的更大,但因宇宙神V的第二级火箭也在整流罩内,因此实际可用空间不足D4H)。哪怕现在加大版FH的11米整流罩内部长度也不及D4H的16米,在种类繁多的美国各类型军方和政府的保密任务中,只有一款载荷需要D4H运力的同时还需要独有的庞大整流罩内部空间,那便是直到数年前还不为人知哪怕现在都是美国保密级别最高的高轨道电子侦察卫星。
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毫不夸张的说,D4H的构型几乎就是为了NROL任务准备的,这其中所有GEO的都被怀疑为电子侦察卫星
 
顾名思义电子侦察卫星是是收集电子讯号的间谍卫星,这就包括了无线通讯信号(COMINT)和诸如雷达无线网等电子设备的信号(ELINT)。如果说锁眼光学间谍卫星是朝向地球的哈勃太空望远镜,那么这些代号为猎户座(不是NASA的猎户座)的电子侦察卫星则是朝向地球的射电太空望远镜。且和在近地轨道飞行的锁眼不同,已知的四颗猎户座电子侦察卫星都在地球同步轨道,保证地球上几乎所有地方都能有至少两颗卫星覆盖。其可能的检测目标包括地面向卫星发射的通讯信号,同步轨道通讯卫星之间发射的信号,地表雷达发射的信号乃至由于地球曲率,接收水面船只发射的电子信号。
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“偷听”电子信号
和光学卫星相比电子侦察卫星最大的难点在于接受信号,由于要接收一个频率的电磁波,天线长度最好是该频率波长的四分之一。比如要接收0.1GHz的无线电,那么天线长度至少是:0.25c/0.1GHz=0.75米。对于太空电子侦察卫星来说,由于频率低于30MHz的无线电会被地球大气层反射导致无法在太空接收,频率越低波长越高,电子侦察卫星的最长的天线应为0.25c/30MHz=2.5米。这看似对空间的要求不大,但由于同步轨道高度为3万6千千米,地表发射的电磁波天然散射会扩散的非常广导致信号强度减弱难以接收,同时由于是侦察卫星而不是同步轨道通讯卫星,地表发射装置不会对卫星指向性发射信号,进一步降低了信号的强度。得益于斯诺登的泄密文件,猎户座电子侦察卫星解决高轨道信号强度的设计得以展露出真容
 
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这便是迄今为止唯一一张猎户座电子侦察卫星的官方图
(这码打的真是“丧心病狂”,主页君注)
 
一个巨大的圆形电子信号反射器。注意看反射器并不是图右边的圆形天线,而是在图左边像背景且只展示出一部分支架的圆形反射器。图右边朝下的圆形天线更类似于收集检测雷达波的ELINT天线,和无线电通讯相比雷达波频率更高因而波长更短,且雷达等定位电磁波强度更高波束更聚集,不需要信号反射器即可在同步轨道接收。按照图中展示的样子扩展补全反射器,猎户座电子侦察卫星的全貌得以浮出水面,非常有可能是人类有史以来发射过的最“大”的人造卫星。
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反射器的具体大小可通过上文说的天线长度估计。仔细看图中标注3的位置类似于金字塔摆放的天线从外观上非常类似对数周期天线,这类指向性无线电天线会把无线电波向着最短天线的方向发射,其覆盖的频率低端由最长的天线决定。也就是接收地表发射的无线电最短天线应朝向地表,图中正好相反的布置足以证明卫星背后巨大的圆形结构为无线电波反射器,将接收到信号强度较弱的无线电波汇总反射至对数周期天线。
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现代无线电通讯常用的对数周期天线
根据上文中计算想要在太空接收最低频率的无线电,对数周期天线中最长的接收天线长度应为2.5米,而图中反射器半径长度标注4大约为标注3的4倍,假定长度标注3为2.5米,那么猎户座电子侦察卫星的反射器直径将有足足20米,远大于现役乃至未来任何火箭的整流罩大小。因此猎户座卫星必须要折叠反射器才能放入整流罩内,也就必须根据特定的整流罩大小来设计折叠方式,换句话说猎户座卫星是和使用该整流罩的火箭绑定,依据D4H整流罩设计的卫星由于质量,只能通过满足运力下唯一采用同款整流罩的D4H发射。

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根据航天飞机轨道器货仓大小猜测的折叠方式
D4H的5米整流罩在宽度和长度上都非常接近航天飞机轨道器的货仓大小恐怕不是一个巧合更有趣的是斯诺登公布的的解密文件中似乎在暗指猎户座卫星的制造商是诺斯罗普格鲁曼公司,而诺格现在正在建造的另一个太空用大型折叠机构正是韦伯太空望远镜的第一级镜片。不仅如此诺格还给欧洲的Alphasat通讯卫星建造过商业用折叠反射器AstroMesh,直径从3米到50米种类繁多,诺格更确认AstroMesh反射器至少在一款保密卫星上使用。不过AstroMesh反射器根据公开照片其展开下并没有类似于猎户座反射器的发散式支架,哪怕猎户座卫星真是诺格建造用的估计也不是AstroMesh。

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展开模式下的AstroMesh
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诺格有着久远的大型折叠天线研发历史
说了这么多和SpaceX到底有啥关系呢?那便是诸如诺格建造的大型折叠反射器乃至大型折叠天线,有一套复杂精密的折叠展开方式,绝大多数情况下收起状态下的天线是不能随意调整储存姿态,不然天线自身的重量便可能会破坏展开用机械结构,让千万造价的卫星变成太空垃圾。

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电脑模拟的AstroMesh,完整展开需大约12分钟(引自赵治华等人发表在JGCD上的论文)
换言之由于水平整合火箭需要先把载荷放平和火箭对接,根本无法发射大部分带有大型折叠天线的卫星。这方面最“好”的例子同样还是D4H,由于D4H采用的核心级德尔塔火箭是以水平整合设计,但其发射的猎户座间谍卫星要求必须垂直整合,导致D4H成为少有的同时使用水平和垂直整合设施的火箭,发射前先以“无头”的形式组装,移动到发射架后再立起安装载荷和整流罩
 

万物难逃真香定律?SpaceX新搞的垂直总装发射架是干啥的?

现在理解SpaceX要不惜巨资建造垂直整合发射架了吧。FH作为现如今D4H唯一的替代者,具备火箭立起后再安装载荷的能力不仅意味着重型猎鹰能满足美国国家侦察局电子侦察卫星的要求,也意味着以后采用大型折叠天线设计的军用乃至商用卫星都可以通过猎鹰系列火箭发射。军方和政府的订单一直是最稳定且最丰厚的资金来源,在火箭性能已逐渐接近乃至赶超竞争对手的时候,拓宽市场的最好方式便是消灭对手在特定领域的优势。更何况ULA的火神火箭还遥遥无期,重型猎鹰则是已有3次成功飞行纪录的火箭。

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在SpaceX对重型猎鹰的发射预估中2021年开始理想年发射量已增加至10枚,在商用同步轨道卫星市场接近饱和且绝大多数哪怕是直送的同步轨道商用卫星都不需要重型猎鹰的能力时,这些额外增加的重型猎鹰是为了发射什么东西已经非常明显了。或许在未来LC-39A最抢眼的建筑将不再是那已屹立半个多世纪服务塔,而是在它旁边更高更大的SpaceX移动服务塔。

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话说官方环境评估初稿里移动服务塔预览图中,重型猎鹰已经用上了之前只属于ULA的RUAG大型整流罩,且整流罩上还赫然印着美国空军标志,这又是在暗示什么呢?
(全文完)

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