火箭升空
太空探索公司的“猎鹰”9-1.2型运载火箭5月11日在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射了由泰雷兹·阿莱尼亚空间公司为孟加拉国电信监管委员会建造的“孟加拉之友”1通信卫星,让亚洲又多了一个拥有本国卫星容量的国家。火箭于美东部夏令时下午4时14分(北京时间5月12日清晨4时14分)准时起飞,33分钟后将卫星送入预定轨道。火箭第一级在大西洋的驳船上成功进行了着陆回收。此前一天的发射尝试因倒计时进行到距起飞只有58秒时被自动中止而取消。
本次发射首次采用了“猎鹰”9经过升级的5型火箭,发射地点也从卡角空军站第40号发射台回到了肯尼迪航天中心第39A号发射台。该发射台上次使用还是“重型猎鹰”火箭2月6日的首飞。未来的“重鹰”发射和“猎鹰”9为NASA开展的载人发射也将在这里进行。执行本次发射任务的火箭5月5日在发射台上进行了加注合练,包括对第一级9台发动机进行例行的短时点火试车。
作为终版设计,5型箭在可靠性和可复用性方面做了改进,主要是减少第一级再飞准备工作量、提高“灰背隼”发动机推力以及满足未来载人发射和国家安全发射的要求。太空探索公司和波音都在研制用于为国际空间站往返运送人员的商业飞船。太空探索公司的载人型“龙”飞船将由“猎鹰”9火箭发射。按目前的计划,该公司要在8月份对该型飞船进行一次不载人试飞,年底前后再进行一次有两人参加的载人试飞。
虽然当天的发射尝试最终被取消,但马斯克在5月10日的射前新闻发布会上向媒体介绍了5型箭等相关情况。他说,5型箭将是巨型“大猎鹰火箭”(BFR)20年代问世前“猎鹰”9的最后一个重大升级型号,将充当公司业务主力,退役前估计共将飞行大概300次,或许会更多。他说,5型箭第一级被设计成“在无需例行整修的情况下”能反复使用10次,而若“做适当的例行维护”可用100次。马斯克指出,公司计划再造30~50枚5型“猎鹰”9助推器。
一级落到无人驾驶驳船上
马斯克说,公司打算不晚于明年就对24小时内用同一枚“猎鹰”9开展两次轨道发射进行验证,从而将让人们看到5型箭复用能力有多强。不过,实现这一大胆目标不只要求火箭本身能快速完成再飞准备,还涉及到美国空军的靶场支持和有效载荷的快速安装。若能让一枚火箭在一天内再次发射,将有助于太空探索公司佐证其用过的旧箭反而更可靠的说法。该公司官员常拿航空旅行说事儿。马斯克在发布会上再次重申了这一点。他说:“您是宁愿坐一架从未试飞过的飞机还是愿意坐一架已成功飞过多次的飞机?”他说,客户们最终“将真正倾向于使用经过飞行验证的火箭,而不是从未飞过的火箭”。
太空探索公司给采用旧箭发射的某些早期用户提供了打折优惠,以让这些用户,尤其是不愿冒风险、不然就不会乐意把造价上亿美元的卫星交由已经过发射和着陆“折腾”的旧箭来发射的卫星运营商,能更好地接受这一新生事物。马斯克说,对于复飞火箭,太空探索公司把价格从约6000万美元降到了约5000万美元,预计接下来还会有“稳步下降”。不过他提醒说,公司有很多固定成本,且其未来“星链”互联网星座和BFR火箭项目需要靠发射创收,而这意味着价格也不能降得太低。他说,需派无人驾驶驳船出海的火箭第一级海上回收工作也要花“几百万美元”。
鉴于5型箭所做的大范围改动,太空探索公司将在本次发射后额外花一些时间来拆解火箭和进行检查。马斯克说:“滑稽的是,我们要将其拆开,以证实其无需拆开。”他说:“这枚箭未来几个月可能不会再次参加飞行。但到今年底,我们应能看到5型箭大量用于复飞,有的5型助推器可能会进行其第三乃至第四次复飞。”
太空探索公司已做过“猎鹰”9火箭有效载荷整流罩回收尝试,但尚未成功。该公司还表示过要对火箭上面级也进行回收,而不是任其被烧掉。马斯克说,公司并不打算在本次发射中进行整流罩回收尝试,但未来仍有意对价值600万美元的整流罩加以回收。上面级回收则是一个更为长期的目标。马斯克说:“我肯定我们能够实现上面级重复使用,问题只是会因此牺牲多少重量。”他说,相对于BFR来说,公司不想在这方面投入过多的工程力量,且显然不会采取任何会给火箭上升段飞行带来风险的举动。马斯克说,公司今年将逐步为上面级增设热防护,以利于其返回地球。他说,就近期飞行来说,目标将主要是采集再入温度、高度和上面级状况等数据,并很可能会利用铱通信公司的星座来中继这些数据。
马斯克说,若“猎鹰”9能完全重复使用,“我们将能让发射费用下降一个数量级”。他说:“然后,随着发射频度的提高,我们将能进一步优化单次发射成本。”他估计“猎鹰”9的边际成本有60%源自第一级,20%来自第二级,整流罩和与发射相关的其它工作各占10%。他说,推进剂费用只有30~40万美元,可忽略不计。他说,在约3年内把“猎鹰”9发射的边际成本降到“不到500或600万美元”是有可能的。
马斯克说,5型箭所做的最重要改进是要满足NASA的载人发射要求,从而为从今年底或明年开始用“猎鹰”9向国际空间站运送宇航员做准备。他说,5型箭的设计意图是要成为迄今建造的最可靠的火箭。他说:“我希望我今天不会因为这些话而受到惩罚,但这确实是我们的意图,而且我觉得连我们最保守的客户也会同意。”
5型箭的改进还进一步提高了性能。马斯克说,火箭第一级9台“灰背隼”发动机的海平面推力提高了8%,单台推力可达约845千牛。上面级单台真空型“灰背隼”发动机可产生978千牛的推力,但本次首飞时会调低到934千牛。他说,在发动机重量没有任何实质性变化的情况下,发动机效率和推力都有所提高,已然是全球之最的推重比如今已达到“真正令人难以置信”的水平。
马斯克还介绍了火箭外部涂料的变化。这些变化旨在更好地保护第一级免受极端再入加热影响。他说,5型箭采用了很多新的热防护技术。他说,火箭黑色的级间段以及电缆管道和着陆支腿均采用了公司自行研制的一种复用性能很高且无需喷漆的新型热防护材料。这种材料厌水,所以不会积存水。他称这项工作难度相当大。他还说,黑色级间段增加了火箭的美感,虽然这只是火箭设计上的一个小因素。
容纳火箭第一级9台发动机的“八角网”布局(中央1台+外围8台)结构也采用了强度更高的铝来制造。该结构采用螺栓同火箭底部连接,而不是像以往型号那样焊到箭体上,以缩短检查、修理和整修时间,并便于从“猎鹰”9第一级改作“重鹰”的侧装助推器。马斯克说,发动机部段内部也采取了很多热防护措施,以防因有发动机起火或类似问题而导致八角网结构熔化。
第一级4条着陆支腿也有变化。马斯克说,用于在第一级最终下落和飞行后处理过程中使支腿保持展开状态的锁紧机构被取消。他说,着陆支腿现在设置了内部锁紧系统,收放均非常容易,只需靠一个作动器就能完成,不像原来那样需要几个小时才能重新收好。
装在火箭底部靠近发动机部段的防热罩也做了加强。该防热罩用于保护发动机和推进系统管路,但此前每次发射后都要更换。马斯克说,老的复合材料结构被一种高温钛结构取代,以支持快速复用。他说,底部防热罩的某些部位还将用水来主动冷却。他说,源自以往“猎鹰”9飞行的数据表明,会在高超音速再入过程中暴露给超高温环境的火箭底部某些部位需加强保护,所以需采用高熔点材料,并在防热罩底部某些地方辅以水冷。
马斯克说,5型箭在各方面都有所改进,包括飞行计算机、发动机控制器和新的更先进的惯性测量系统。将在5型箭上固化下来的其它一些改进措施已在“猎鹰”9以往的发射任务中得到验证,包括旨在实现回收和复用的新一代有效载荷整流罩,也包括供一级下降飞行时使用的钛栅格翼。钛栅格翼取代了容易因受热而损坏的铝栅格翼。早前使用的铝栅格翼需涂覆防热材料,但即便如此还是会在飞行中出现烧灼问题,不利于复用。
太空探索公司主管制造与飞行可靠性的副总裁凯尼格斯曼在本次发射前表示,5型箭基本囊括了公司在复用方面的所有经验教训。工程技术人员还解决了“灰背隼”发动机涡轮泵内的叶片开裂问题(太空探索公司并不认为叶片出现细微裂纹会带来风险,但NASA出于载人飞行安全考虑还是要求其加以解决),并采用了不易积存冻氧和产生摩擦的新氦瓶。冻氧积存和摩擦导致了“猎鹰”9火箭2016年9月的“炸窝”事故。凯尼格斯曼说,5型箭大概做了上百项改动,是“全推力”配置2015年12月首飞以来“猎鹰”9最大的一次升级改进。全推力型号首次采用了RP-1煤油和液氧推进剂深冷增稠技术。
太空探索公司总裁肖特韦尔曾介绍说,5型箭汲取了前几个型号的教训,复用能力将大幅提高,能反复使用不下10次,而此前用得最多的3型箭只能用两三次。她说,5型箭基本不需要整修,射前要做的主要是检查,流程将比此前重复使用的助推器更加流畅。她说,5型箭的阀门等很多活动部件进行了重新设计和重新鉴定,大大提升了性能和耐用性。肖特韦尔说,5型箭设计有四大目标,即满足民用和国防要求、提升运载能力、简化制造工艺以及实现快速复用。
5型箭的燃料加注流程也有所调整,煤油和液氧改为在倒计时还剩35分钟时同时开始加注。“猎鹰”9此前的型号是在倒计时还剩70分钟时开始加注煤油,在还剩35分钟时开始加注液氧。
同一枚“猎鹰”9火箭第一级迄今最短的两次飞行间隔时间大概为5个月。目前还没有哪枚“猎鹰”9第一级重复使用两次以上。本次发射后,老型号“猎鹰”9还会再用几次。即将在范登堡空军基地和卡纳维拉尔角进行的另两次发射都将采用已飞过的旧第一级。
泰阿空间公司是2015年11月战胜多路对手拿到“孟加拉之友”1卫星合同的。价值2.48亿美元的合同涉及卫星建造、发射和地面段建设。法国出口信贷机构外贸信贷保险公司(COFACE)为该项目提供了贷款担保。该星采用“空间客车”4000B2平台建造,发射重量3750公斤,配备26路Ku波段和14路C波段转发器,将采用东经119.1度轨位,向孟加拉、印度、尼泊尔、不丹、斯里兰卡、菲律宾和印度尼西亚提供通信和广播服务,设计寿命15年。孟电信监管委员会官员曾表示,有了这颗卫星将使孟每年能省下约1400万美元的商业容量租赁费用。孟打算把该星一半的容量用于国内,并组建一家私营公司来在本地区开展剩余容量的商业运营。
星箭分离画面
“孟之友”1原本把阿里安航天公司的阿里安5作为首选火箭,但因阿里安公司无法保证卫星在去年12月16日孟“国家胜利日”当天发射而改用作为备选火箭的“猎鹰”9,并按太空探索公司的提议成为5型“猎鹰”9首飞的用户。但受“猎鹰”9生产压力大以及2015和2016年两次失败的影响,该星最终仍未能按孟方要求的时间发射。
截至本次发射,太空探索公司已在陆地和海上平台上成功进行25台次火箭助推器回收,涉及18台助推器。这其中有7台次为二次回收(“猎鹰”9第一级5台次,“重鹰”侧捆助推器2台次)。在25台次助推器成功回收中,海上平台回收为14台次,陆上回收为11台次(“猎鹰”9为9台次,“重鹰”为2台次)。另有6台次海上平台回收失败(“猎鹰”9第一级5台次,“重鹰”芯一级1台次)。另外,太空探索公司还在今年1月31日发射卢森堡“政府星”1时对溅落在海水中的“猎鹰”9第一级进行了计划外的二次回收。
“猎鹰”9迄今已进行9次旧箭复用飞行。加上“重鹰”首飞的两枚侧装助推器,太空探索公司重复使用的旧箭数量已达11枚。
(本文来源:航小宇)
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