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SpaceX“超重-星舰”运输系统研制进展

2022-07-20齐环环韩虹北京航天动力研究所

国际太空 2022年6期
关键词:运输系统推进剂猛禽

齐环环 韩虹(北京航天动力研究所)

“超重-星舰”运输系统概念图

1 “超重-星舰”运输系统简介

2016年9月,SpaceX公司正式对外公布了“星际运输系统”(ITS),瞄准人类移民火星以及星际探索。随后持续进行快速迭代,每年都进行一定程度的方案调整,从初期的“星际运输系统”方案到2017年的“大猎鹰火箭”(BFR)方案,最终逐渐演化成“超重-星舰”运输系统。

“超重-星舰”运输系统由“星舰”飞船级和“超重”火箭级构成,采用不锈钢箭体,并由自主研制的“猛禽”(Raptor)发动机提供动力,飞船级和火箭级都将返回地面,完全可重复使用。“超重”火箭级可在发射数分钟后回收,并具备在1h内再次发射的条件。“星舰”飞船级可通过轨道加注(主要是加氧)实现到达火星的目标。再入大气层热防护用的隔热罩耐用且成本低,可重复使用。马斯克预计几年内,“星舰”任务的单次飞行成本可能低于1000万美元,其中包括推进剂等边际成本和该项目的运营开销。

随着研制过程的推进,“星舰”飞船级和“超重”火箭级的尺寸及性能参数一直在不断变化。“星舰”飞船级高度50m,直径9m,推进剂装载量1200t,推力1500t,有效载荷能力约为100~150t,取决于轨道高度。飞船级安装6台“猛禽”发动机,未来可能会增加至9台,其中3台设计用于地面反推着陆,6台用于真空。“超重”火箭级高度69m,直径9m,推进剂装载量3400t,未来可能增加到3600~3800t,推力7590t。最初的“超重”火箭级有29台“猛禽”发动机,未来将配备33台。

“星舰”飞船级(左)和“超重”火箭级(右)(来源:SpaceX)

2 “猛禽”发动机情况

“超重-星舰”运输系统两级都由自主研发的“猛禽”发动机提供动力。该发动机采用全流量分级燃烧循环,液氧甲烷推进剂以及双泵双预燃室。富燃预燃室驱动燃料泵,富氧预燃室驱动液氧泵,并研发SX500系列合金以承受富氧预燃室的高温燃气。该发动机具有推力大,比冲高,寿命长且可复用性强等特点。

“猛禽”发动机技术特点:

1)“猛禽”发动机采用全流量分级燃烧循环,通过补燃所有燃料燃烧做功从喷管喷出产生推力,可获得较高比冲。同一般的富氧和富燃分级燃烧循环相比,全流量分级燃烧循环有以下特点,2个预燃室分别进行富氧燃烧和富燃燃烧,分别产生富氧燃气和富燃燃气,两股高温燃气进入主燃烧室进行充分燃烧,提高主燃烧室的燃烧效率,从而提高发动机性能;另外,由于推进剂都通过预燃室,预燃室工作温度更低,寿命更长,有利于提高发动机的重复使用次数。

2)针栓式喷注器。通过呈90°的轴向射流和径向射流间的撞击来组织雾化和混合,燃烧效率高,可进行大幅度推力调节。

3)再生冷却系统/燃料自生增压。通过燃烧室表面的管道循环来冷却推进剂,同时加热甲烷和液氧,自生增压,使储罐内燃料在不断消耗后能够自生加压。

4)3D打印技术。“猛禽”发动机上的3D打印组件包括推进剂阀门,涡轮泵部件和喷注器系统的许多组件,3D打印部件质量约占发动机总质量的40%。

5)新材料技术。SpaceX公司开发了一种新型金属合金SX500系列,用于承受富氧预燃室的高温富氧燃气。

发布会上,马斯克详细介绍了正在生产和测试的新版本猛禽-2发动机。相比最初型号猛禽-1,猛禽-2发动机推力更大,使用的零件更少,而且更便宜、更容易制造,这对于实现SpaceX公司“星舰”计划的低成本和高性能目标至关重要。与猛禽-1发动机的185t推力相比,新版本可以产生至少230t的推力,之后可能增加到250t。

猛禽-1(左)和猛禽-2(右)对比图(来源:SpaceX)

3 发射基地

SpaceX公司原本准备让“超重-星舰”从德克萨斯州博卡奇卡发射场发射,但如果正在进行的环境审查出现长时间延误,该公司将转移“超重-星舰”至佛罗里达州肯尼迪航天中心(KSC)进行发射。

美国联邦航空管理局(FAA)再次延长“超重-星舰”轨道飞行的环境审查时间,以进一步展开相关审查和机构间磋商。该审查的结果可能是执行更严格的环境影响评价(EIS)。EIS一般需要几个月甚至超过一年的时间才能完成,在此过程中,博卡奇卡发射场的发射活动会被搁置。因此,SpaceX公司考虑将 “超重-星舰”转移到肯尼迪航天中心进行发射。此前,肯尼迪航天中心已经获得了“超重-星舰”发射的环境批准,但由于其配置不断更新,目前尚不清楚肯尼迪航天中心早期的环境审查是否需要更新。

从长远来看,SpaceX公司将把肯尼迪航天中心作为“超重-星舰”的主要发射场,并正在那里建造工厂。目前,SpaceX公司将两个石油钻井平台转换为可以根据需要移动的平台,用作海上发射场。肯尼迪航天中心将与海上发射平台一起为主要业务运行服务。

“超重-星舰”在发射捕获塔旁(左)和发射捕获塔结构(右)(来源:SpaceX)

4 回收方式

“超重-星舰”运输系统的发射捕获塔(launch&catchtower)称为Mechazilla,是未来快速回收复用的核心。Mechazilla发射捕获塔高度145m,为钢结构,并拥有3条机械臂。一条是快速断开臂,用于发射前快速摆开脐带连接等加注设备,并充当中部稳定结构;另外两条机械臂像“筷子”一样,用于捕获“超重”火箭级。这两条机械臂可以沿发射塔主结构上下移动。在回收过程中,“超重”火箭级垂直降落到一定高度后,将顶部的4个栅格舵锁定为水平位置,通过发动机的推力调节和摆动以一个角度去靠近发射塔,在达到悬停状态后,机械臂展开接触锁定的栅格舵,将“超重”火箭级吊挂在捕获塔上,发动机关机熄火。随后机械臂可以移动并将火箭级准确放置到发射架上,实现快速回收复用。

“星舰”飞船级回收过程中,以“腹部拍水式俯冲”(bellyflop)方式下降,下降过程中,反推力矩逐渐摆正姿态,着陆前恰好垂直,飞船级需要不断调整,以保持稳定飞行。传统火箭上面级打开整流罩将有效载荷送入轨道后,便抛掉整流罩,为一次性使用。“星舰”飞船级的整流罩可打开/关闭,因此部署有效载荷后,整流罩可以一同回收,这也将允许飞船捕获卫星在轨道上进行维修,搬迁卫星至其他轨道,甚至带回地球。

“星舰”飞船级腹部拍水式俯冲示意图(来源:SpaceX)

5 结束语

“超重-星舰”运输系统的研制进展备受关注,总结起来有如下优势:全系统可回收和重复使用,凭借以液氧甲烷为燃料的“猛禽”发动机无结焦问题的特点,进一步提高重复使用次数,降低发射成本;全系统采用一型“猛禽”发动机,全流量分级燃烧循环,推力大、比冲高;未来系统还具备在轨加注功能,能够进一步进行深空探测。之后,SpaceX公司将进行“超重-星舰”的第一次入轨试飞,如果轨道飞行成功,其将成为有史以来最大的入轨火箭,也将成为第一个完全可重复使用的轨道运载工具。

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