美国太空探索技术公司的海上平台简析

杨开　 米鑫（ 北京航天长征科技信息研究所， 北京航天控制仪器研究所）

1　海上回收平台简介

美国太空探索技术公司（SpaceX）的海上回收平台称为“自动航天港无人船”（Autonomous Spaceport Drone Ship，ASDS），是在甲板驳船的基础上改进而来，安装了用于维持位置的动力系统，以及大型的着陆平台，能够实现自动控制或远程遥控，在海上作为猎鹰－9（Falcon－9）火箭一子级着陆的平台，是该公司火箭重复使用计划的重要设施。

SpaceX公司共有3个海上回收平台，其中2个在用，另外一个（也是最早投入使用的平台）已不再执行发射任务。在用的2个海上平台代号为“请阅读说明”（Just Read the Instructions）和“当然我依然爱你”（Of Course I Still Love You）。“请阅读说明”平台停靠在西海岸附近，在太平洋上回收从范登堡空军基地执行发射任务的猎鹰－9火箭一子级；“当然我依然爱你”平台停靠在东海岸附近，在大西洋上回收从卡纳维拉尔角空军基地发射的猎鹰－9火箭一子级。

SpaceX公司的海上回收平台均改装自麦克唐纳海事服务公司的Marmac 30X系列甲板驳船，最早投入使用的海上回收平台改装自Marmac 300甲板驳船，在用的“请阅读说明”回收平台改装自Marmac303甲板驳船，“当然我依然爱你”回收平台改装自Marmac 304甲板驳船。三艘甲板驳船的性能参数基本相同。

Marmac 30X系列甲板驳船的参数

Marmac 300是由墨西哥湾制造公司于1998年建造的，船龄已经接近20年，是最早改进的一艘甲板驳船（SpaceX公司在2014年10月第一次公布了Marmac 300改装的信息），这艘驳船在SpaceX公司海上回收平台的技术开发过程中充当了技术验证的角色。Marmac 303和Marmac 304则都是由标杆国际公司在2013年完成制造的，船龄仅有4年，属于比较新的船只。

2　从甲板驳船到海上回收平台的改进

为了使甲板驳船适用于猎鹰－9火箭一子级着陆回收任务，SpaceX公司对Marmac 30X系列甲板驳船进行了大量改进，主要包括4个方面：首先是扩展了甲板面积，保证有足够的着陆区域；其次是为甲板驳船安装了动力系统，使平台能够在海洋中保持相对稳定的位置；再次，为平台上的设备箱增加了起到保护作用的防爆隔离板等防护措施，以防在一子级未能成功着陆或者发生爆炸时，减小对平台设备的影响；最后，则是设计了用于固定火箭一子级的机器人，未来可能实现无人自主的回收操作，大幅降低风险。

增加甲板面积

Marmac 30X系列甲板驳船的甲板宽度仅有30.48m，而猎鹰－9火箭一子级的着陆支架在展开之后的最大宽度大约为14.7m，所以SpaceX在甲板驳船两侧增加了甲板扩展区，将甲板宽度扩展为51.81m。同时，将其他船上设备布置到了甲板两头，这样在平台中部形成了一个51.81m×65.22m的矩形着陆区。甲板扩展区都是通过焊接的方式直接连接到甲板驳船上。

海上回收平台的尺寸示意图

安装动力系统

为了能够使海上回收平台在海洋上保持相对固定的位置，配合火箭一子级的着陆动作，SpaceX公司在回收平台上安装了4台功率220kW的方位推力器，用于调整平台的位置，能够使平台在海浪环境中维持稳定的位置。伊隆·马斯克在2014年曾表示海上回收平台利用上述4台方位推力器以及GPS定位信息，“能够在风暴中将位置精度维持在3m以内”。

防护措施

在火箭一子级着陆时可能会发生意外，包括火箭速度未能得到有效控制而直接撞到平台上、火箭姿态调整不到位发生倾倒，以及发生爆炸等，为了保护平台上的设备，SpaceX公司在平台上设置防爆隔离板，并且还在不断对防护措施进行升级，包括隔离板的位置和面积等都有所调整。经过进一步改进之后，平台尾部防爆隔离板的下方腾出了部分空间，并设计出了一个相对封闭的空间。平台头部的防爆隔离板也向平台中心移动了一段距离，为隔离板和船上设备之间增加了一个缓冲带，可以提供更多的保护。

自主操作机器人

除了上述针对驳船的改造之外，2017年3月有社交媒体网站上透露了“当然我依然爱你”海上回收平台上出现了一个白色的“机器人”。虽然SpaceX公司还没有正式对外公布该设备的具体用途，但是根据初步推测，该设备很可能是用于固定火箭一子级，进一步实现火箭一子级回收处理的无人自主化操作。现在猎鹰－9火箭一子级降落到平台上之后，需要将其焊接到甲板上进行固定，之后再运回港口开展后续的处理和维护工作。而这个白色的“机器人”很可能能够自主（或者远程遥控）实现固定一子级的目标。按照推测，在火箭一子级降落在平台甲板后，该设备会钻到火箭下方，伸出4个液压臂，通过夹紧和支撑火箭底部的发动机支架结构，实现对一子级的固定。

3　海上回收平台的牵引船和支援船

SpaceX公司为目前正在使用的两个海上回收平台分别配备了一艘拖船，“请阅读说明”平台采用瑞亚（Rhea）拖船，“当然我依然爱你”平台采用埃尔斯贝特3（Elsbeth III）拖船。这两艘拖船都是从史密斯海事公司租赁的。瑞亚和埃尔斯贝特3属于小型敏捷的海上拖船，能够在各类严苛的天气情况下进行拖船作业。船上所有系统都有三重备份，保证拖船的可靠性，适用于海上远距离、长时间的任务。瑞亚拖船和埃尔斯贝特3拖船基本相同，都是由莱塞姆·史密斯船长公司（Captain Latham Smith）制造的。拖船总长为27.4m，最大宽度12.2m，总吨位98，采用了三菱公司的动力系统，动力达到3730kW，系柱拉力为50t。

拖船正在将海上平台和回收的火箭牵引入港

除拖船外，SpaceX公司还为回收任务配备两艘支援船，代号分别为Go Quest和Go Searcher，两艘船都租赁自盖茨海上公司（Guice Offshore）。这两艘支援船的规模基本相当，长度为50m，宽度为10m，总吨位大约为500。在回收过程中，所有操作人员都会撤离到支援船。支援船上有通信设备，可能在火箭回收过程中进行远程操控。

支援船和拖船停泊在港口

4　海上回收平台的动力系统

SpaceX公司海上回收平台的动力系统是从美国德克萨斯推力大师公司（Thrustmaster of Texas）采购的“舰载动态定位系统”，包括4组柴油动力的方位推力器模块。“舰载动态定位系统”采用计算机控制，能够使驳船在开放水域内，对抗风浪、洋流，保持较高的位置精度，从而在猎鹰－9火箭返回过程中提供一个准确的着陆位置。

4组方位推力器都采用模块化设计，各自采用独立的液压动力单元，在甲板上进行安装和固定，系统配备了一个动态位置控制箱以及传感器套件。位置参数传感器、风速传感器和回转罗盘会持续将驳船的位置、航向和风力等信息传输给计算机。控制箱中的计算机利用上述参数进行计算，并给4个推力器模块下达控制指令，完成角度和推力输出控制，使驳船保持一定的位置精度。所有的控制都是通过电信号实现的，传感器、计算机以及柴油液压动力单元之间都通过电线相连接，液压动力单元和推力器之间还有液压管路连接。整套系统安装在甲板两侧，占用很少的甲板空间，而且不需要对驳船进行任何永久性的改造，安装便捷。

SpaceX公司海上回收平台采用的“舰载动态定位系统”

方位推力器

方位推力器的功率为220kW，构成组件包括转向马达、支杆、螺旋桨液压马达、螺旋桨、喷嘴以及摆动系统。

推力器通过基座和船体进行连接，支杆和头部都不需要额外的支撑。推力器上的转向马达、螺旋桨液压马达通过和液压动力单元相连接的液压管路驱动。推力器采用液压驱动的摆动系统，能够将支杆和头部向上翻转90°，使支杆和头部调整成水平位置，与甲板平行，便于维护和检修，在不使用的时候也能抬出水面。

方位推力器的支杆长度和驳船进行了匹配，能够使头部的螺旋桨全部没入水中。推力器采用镍铝青铜、4叶片、大推力、整体式螺旋桨，螺旋桨包裹在喷管中，螺旋桨的直径为206cm。推力器利用液压转向马达实现360°的连续转向能力，转向速度为3转/分钟，而且可以在一定范围可调。推力器的螺旋桨采用双向可变速的活塞液压马达直接驱动，活塞液压马达安装在头部并设计成了吊舱式的驱动单元，从而避免了传统推力器上使用的直角传动装置。支杆中的液压管路直通甲板上的柴油液压动力单元，为活塞液压马达提供动力。除了流经管路中的液压介质，推力器的支杆中没有其他的活动部件。因此，尽管推力器的支杆很长，但是其可靠性仍得到了保证。

液压动力单元

每个推力器都有配套的柴油发动机驱动的液压动力单元。动力单元是完全封闭的，适用于海上作业环境，可以直接安装到甲板上。液压动力单元能够驱动螺旋桨的活塞液压马达、转向马达以及支杆摆动系统。液压动力单元的构成包括：散热器冷却的船用柴油发动机、封闭式的主液压泵、冷却设备、液压油箱、液压管路、发动机排气系统等。发动机和液压组件都封装在标准箱体内。

动态位置控制系统

“舰载动态定位系统”的控制系统安装在动态位置控制箱内，箱体除了控制用的计算机以外，还包括一系列传感器。

5　海上回收平台的操作过程

在发射任务前几天，SpaceX公司的海上回收平台就会利用拖船离开港口前往回收区域的海域，之后不久，Go Quest或Go Searcher支援船也会前往护航。达到猎鹰－9火箭一子级预定的着陆回收海域附近准备进行回收任务时，拖船上的工作人员可能会启动回收平台上的推力器，让平台根据预定的GPS坐标进行自动位置保持。与此同时，拖船和支援船会在一定安全距离上待命。回收平台上设计了喷淋系统，利用平台带的淡水对着甲板喷水，在火箭一子级降落到平台的过程中对甲板进行降温和保护。

海上回收平台上设有摄像机，在火箭一子级着陆的过程中，回收平台会将视频图像实时传送回SpaceX的发射控制中心，对着陆过程进行监控。一子级着陆时，回收平台上没有人员，这也是将回收平台称为“自主无人船”的原因。

SpaceX公司负责任务保证的副总裁汉斯·尼格斯曼曾表示，在一子级降落到平台上之后，工作人员需要1～2h对回收平台进行远程操作，解除一些风险。之后，工作人员才能登上回收平台进行后续处理。这些远程操作包括对增压氦气瓶进行放气，以及排放液氧贮箱中的液氧。工作人员登上回收平台后，会将一子级焊接固定到甲板上，再利用拖船将回收平台拖回港口。

返回港口之后，工作人员会对一子级进一步处理（包括把剩余的煤油泄出等），再利用吊车将一子级从平台上卸下，利用固定装置将一子级调整成水平状态，再利用卡车将其运往SpaceX公司位于德克萨斯州的麦格雷戈试验场或运往卡纳维拉尔角39A发射工位的厂房内。

另外，SpaceX公司在回收过程中还引入一项新的摄录视频的方法，就是利用装有摄像机的无人机。无人机从回收平台上起飞，在一定的高度悬停，对一子级的着陆过程进行拍摄，着陆完成之后，无人机再返回到回收平台上。这样，即使一子级着陆过程中的热载荷和冲击会对平台造成一定损坏，但是SpaceX公司仍能利用无人机留存视频。

6　小结

海上回收平台作为SpaceX火箭复用计划的重要组成部分，从2015年1月首次尝试利用海上平台回收火箭，到2017年4月底已经进行了18次海上平台回收任务，失败5次，成功13次，尤其是2017年以来的9次海上平台回收全部取得成功。在过去几年的时间里，SpaceX的海上回收平台不断进行改进、更新，为SpaceX公司火箭重复使用计划的顺利实施提供重要保障。今后，海上回收平台还会持续进行升级，朝着实现无人自主化操作的方向发展。