Spacex星际飞船的变迁史,马斯克的星舰是怎么来的?——完结篇

2020-10-31 15:28:18 小小人鱼爱综艺

(……续上)

最新时间线

SpaceX于2017年2月27日宣布了前泽友作飞行的前身,它将是一个6天环月飞行,由SpaceX猎鹰重型火箭为两名付费乘客专门发射的。这些计划后来被搁置,2018年9月17日,SpaceX宣布,前泽友作(Yusaku Maezawa)和一组6至8名艺术家将在2023年前乘坐“大猎鹰”火箭环绕月球。纵观人类登月史,阿波罗17号最后一次绕月飞行是1972年12月。

日本富豪前泽友作

SpaceX首席执行官埃隆马斯克(elonmusk)表示,这位日本大亨曾是猎鹰重型飞行的潜在客户之一。然而,他选择了猎鹰重型火箭的升级版,以便在他的航行中带来更多的艺术家。在“亲爱的月亮”报告中,马斯克说,整个BFR开发的估计成本是“大约50亿美元”。他补充说,前泽为这次任务的费用所作的贡献“实际上将对BFR开发产生重大影响”。

2018年11月17日,埃隆·马斯克暗示,他的火箭公司正在对设计进行更多的修改,不再希望将现有的猎鹰9号火箭的上层升级为可重复使用。相反,SpaceX正在加速研制大型猎鹰火箭,这将是完全可重复使用的,因此可能更便宜。马斯克在推特上说,设计以“令人愉快地反直觉”的方式改变。2018年11月19日,埃隆·马斯克在一系列微博中宣布了火箭的第四个不同名称。上面的阶段将被改名为“星际飞船”,而助推器阶段将被改名为“超重型”。马斯克此前曾在2018年4月“猎鹰重型”首次飞行前使用过这个名字,当时他提到了猎鹰超重型的可能性。如果再加上两个助推器的话,这会是一个很重的猎鹰。2007年马斯克第一次讨论火箭时,火箭的原名是“大猎鹰”火箭。马斯克后来提到,这个名字的灵感部分来自《末日》系列游戏中的BFG。SpaceX公司在2018年4月宣布,已获准在洛杉矶港开发其BFR火箭和星际飞船。在这个阶段,大约有40名工作人员参与设计,并在那里搭建了一个帐篷,安置着SpaceX公司下令建造BFR的大型碳纤维工具。

星际飞船CG

SpaceX的计划要求运载火箭在洛杉矶港组装,然后通过巴拿马运河用驳船运输到佛罗里达州卡纳维拉尔角发射台。然而,2018年12月8日,马斯克突然在微博上发文称,设计已从全碳纤维改为金属,这些计划遭到质疑。

2018年12月22日,埃隆·马斯克(Elon Musk)在给NSF的推文中证实,一个彻底重新设计的发动机将在下个月发射。第二天,在访问了SpaceX位于德克萨斯州博卡奇卡的发射场后,马斯克宣布,第一艘试验品星际飞船已经在那里建造了几个星期。24日,他宣布星际飞船将由不锈钢制成。该飞行器将搭载计划中的7个猛禽发动机中的3个,首次飞行时间不早于2019年3月。至2019年1月10日,该供试品的一级结构已完成。这种彻底的设计改变的原因包括不锈钢镜面般的热反射性以及它处理极端高温的优越能力,这意味着它最终可能需要比碳纤维更少的热屏蔽。1月23日,大风损坏了测试品的机头,SpaceX决定不更换。2019年2月1日,马斯克公布了首台完整的猛禽发动机的照片。他还指出,火箭的超重型助推器的早期试飞可能不到31个发动机(后来改进到大约20个)。改变是可能的,因为最初的试飞不需要设计的全部容量。这将具有降低测试成本的额外优势。

星舰底部猛禽发动机

SpaceX公司于2019年4月完成了其Starhopper原型的建造。它的外形有点像一个飞行的水箱,由不锈钢制成,并配有一个猛禽发动机,这是为了测试星际飞船的设计元素。该公司在4月3日和4月5日进行了两秒长的系绳测试。在5月6日至7日期间,技术人员在“灰飞虱”号上安装了封存的“猎鹰9号”上的冷气体推进器吊舱,为无约束的试飞做准备。随后在7月25日进行了一次无缆测试,当时车辆离地18米(59英尺)。在8月27日的最后一次飞行中,它上升到150米(492英尺),并侧向移动到另一个着陆点。

美国宇航局戈达德太空飞行中心(GSFC)于2019年4月11日制作的一份渲染图显示,“星际飞船”货舱可以搭载计划中的“卢瓦尔”太空望远镜的两种变形,这是詹姆斯·韦伯太空望远镜的四个计划选项之一。同一天,有消息称,SpaceX公司正在进行另一轮5亿美元的融资,以帮助SpaceX公司同时开发其星际链路卫星星座和星际飞船/超重型飞船。

5月14日,NSF成员Zpoxy在佛罗里达州的可可岛发现了第二艘正在建造的星际飞船。此后不久,埃隆·马斯克证实了这一点,他提到两个竞争团队将建造星际飞船原型。他们会互相分享设计细节,但不必遵循对方的设计,这有可能加速星际飞船和超重型的发展。每一个都有三个猛禽发动机,而且都是露天建造的,这与几乎所有的火箭建造都不同。在SpaceX 2019年9月28日更新的准备阶段,星际飞船MK1号(德克萨斯州)和马克MK号(佛罗里达州)的建造进展迅速。MK2号的原型有鼻锥和主缸,但他们没有焊接在一起,MK1号的原型机的鼻锥安装在主气缸的顶部。

星舰轨道发射台建设中

9月28日的更新展示了该车的第11个已知版本。埃隆·马斯克还宣布,他们希望在六个月内用一个更先进的星际飞船原型进入轨道。这些原型将采用完整的六个猛禽发动机以及单缝焊接。完整的星际飞船运载火箭也将随之而来,其超重型舞台的建造将在很大程度上取决于猛禽发动机的建造速度。

宣布后,星际飞船Mk 1的鸭翼和机翼被拆除,然后重新安装,而飞行器的下部则被运送到发射场基座上。关于发射基座的更多细节已经公布,这将允许在LC-39A发射更高的推力设计。马斯克还提到了在未来的版本中,一个非框架的简化猛禽发动机可以产生300 tf(2942 kN/661400lbf)的推力。2019年11月20日,星际飞船马克1号(MK1)在德克萨斯州南部的博卡奇卡试验场发生储罐破裂。在对运载火箭的推进剂罐进行测试时,这种故障是在装载低温液氮时发生的。储罐破裂的部分原因是该公司的测试压力高于正常压力,这架原型机原计划在星际飞船测试项目中进行首次20公里的试飞。虽然这次失败减缓了SpaceX的测试计划,但MK3原型的建造已经在博卡奇卡顺利进行。2019年12月5日,SpaceX公司宣布,他们暂停了在佛罗里达州的大部分星际飞船建造工作,那里的工人将被转移到德克萨斯州博卡奇卡或SpaceX的卡纳维拉尔角工作。

博卡奇卡星舰基地

2020年1月10日,SpaceX遭遇液氧罐测试失败,在7.1bar时失败,没有达到8.5bar的目标。随后,该公司于2020年1月24日成功地用液氮进行了集箱试验。2020年1月28日,SpaceX再次测试了一个液氧罐,这一次成功,该罐在通过其增压目标后被摧毁。

2020年1月,《洛杉矶时报》得知SpaceX再次对在洛杉矶港建造星际飞船工厂感兴趣。随后,在2020年2月6日又有消息称,一个集管箱试验已进行破坏性试验,但已通过其增压要求。洛杉矶市议会于2020年2月26日批准使用面积为12.0英亩的土地。一天后,SpaceX启动了第三个也是第一个垂直猛禽试验台。“MK3号”星际飞船原型机改名为SN1,随后在2020年2月28日的一次增压试验中被摧毁。在用低温液氮加压的过程中,由于液氮的剧烈泄漏,发生了灾难性的结构破坏。错误的原因是一个设计不好的“圆盘”,三个引擎安装在液态甲烷罐的底部。在博卡奇卡,一个试验燃料箱是用一个新设计的叫做SN2的圆盘制造的。它于2020年3月8日通过了关键罐增压试验。2020年3月16日,埃隆·马斯克证实了星际飞船的设计有了进一步的改变,从而产生了已知的第12个版本的设计。该公司在2020年4月3日再次遭遇故障,当时SN3原型在增压测试期间遭遇严重故障,导致其遭到破坏,数据显示测试配置问题是失败的原因。随着SN3的失败和美国在covid-19中挣扎,SpaceX公司积极的测试时间表被推迟。

蓝色起源的“新谢泼德”飞船大窗户

SN4原型机的特点是一个猛禽打算加入到SN3。在2020年5月5日,第一架猛禽在SN4原型机上开火。SN4并没有持续多久,因为在2020年5月29日,它在第五次发动机测试后不久就被摧毁了,当时由于故障,大量推进剂溢出并着火。这个问题是由地面支持设备(GSE)快速断开系统的故障引起的,而不是像以前的故障那样是星际飞船的设计问题。《洛杉矶时报》6月8日报道称,SpaceX公司将重新放弃洛杉矶港,作为“星际飞船”的工厂所在地。与此同时,博卡-奇卡网站的扩张势头有增无减。

试验罐原型SN7于2020年6月23日进行压力试验,直至失效。这是一种新的,更具可塑性的不锈钢合金304L的试验台,这种合金在低温下具有更好的延展性(更具可塑性),允许较少的结构破坏。SpaceX公司于2020年6月30日用下一代样机SN5进行了液氮压力测试。它在2020年8月4日成功地完成了第一次150米(492英尺)的跳跃飞行。随后,在2020年9月3日,SN6的原型机又跳了起来。与此同时,SpaceX在原型SN7.1(304L不锈钢试验箱)、SN8(将配备3台猛禽发动机、一个鼻锥和航空表面)、SN9和SN10的原型上继续取得快速进展。它还开始准备在新的高海湾内建造第一个超重型飞机。

SN7试验罐

结论

星际飞船计划是独一无二的,也是火箭史上最雄心勃勃的计划之一。这个设计现在已经经历了至少12个已知版本和4个不同的名字!它的第一个版本是在2013年的单核或三核火箭,它已经演变成今天正在建造的单核不锈钢星际飞船设计。即使设计的规模已经发生了巨大的波动,它的任务和作用也在扩大。它一开始是一个用来殖民火星的火箭,但现在被设想成一个通用运载火箭来取代猎鹰9号火箭家族。除了最初作为火星殖民者的角色外,预计它还将发射卫星进入地球轨道,在地球上点对点飞行,运送货物和船员往返月球。自2018年决定放弃全碳纤维设计以来,该飞行器的飞行推进取得了快速进展。尽管星际飞船马克1号、SN1号和SN3号储罐破裂以及SN4号地面支援设备事故受挫,尽管其发展资金紧张,但进一步快速进展似乎很有可能。不锈钢结构、A/B原型和迭代测试的结合使得开发时间线加快。它有可能击败几家竞争对手的火箭进入轨道,虽然它体积大得多,但开发周期也较短,它建立在二战后沃恩·冯·布劳恩的火星计划的基础上。

星舰射月

如果这种飞行器真的带来了一个快速可重复使用火箭的时代,一个新的太空飞行时代可能会到来。也许最令人鼓舞的是,这一切都是从南非一个小男孩的梦想开始的。

特别感谢NSF设计团队帮助撰写本文。我还要感谢NSF社区成员Boca chica的不懈努力,这大大有利于我们了解星际飞船的设计演变。(特别感谢Boca Chica Gal不懈努力拍摄星舰进程,让大家实时看到正在发展的激动人心的进展)

时间一转眼已经来来到2020年10月份最后一天,星舰SN8的15公里飞行很快就要到来了,它能否顺利完成亚轨道的处女秀,带着马斯克的火星梦飞上蓝天?我们拭目以待。

注:本文从转载网上翻译的NSF最新文章,对原翻译的部分句子或者词语做了修改,原文作者是菲利普·盖纳。

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