已取消的SpaceX项目:具有可重复使用的上层级的猎鹰火箭

我们为您带来另一期的 系列文章 关于SpaceX及其取消的项目。看看我们以前关于 猎鹰重型交叉进给F9R-Dev2!这次,我们将介绍可重复使用的Falcon上层设备。

埃隆·马斯克(Elon Musk)多次讨论了他对Falcon 9完全可重用的渴望。如今,重复使用火箭的第一阶段是SpaceX经常发生的事情。合理的恢复似乎也快要解决了,但是即使对于SpaceX,第二阶段的可重用性也是一个难以克服的难题,因为它的速度远远高于第一阶段。多年来,埃隆·马斯克(Elon Musk)一直致力于制造猎鹰’第二阶段可重用,但从未实现。令人遗憾的是,正如马斯克在2018年的一条推文中所确认的那样,由于诸如星际飞船的开发和测试等更为紧迫的事情,这种新方法的开发已被完全放弃。在本文中,我们旨在阐明马斯克过去关于猎鹰的言论’第二阶段的可重用性,并解释为什么这是一项艰巨的任务。

2011年,SpaceX发布了一个动画,其中公布了一项雄心勃勃的计划,以实现Falcon 9的完全可重用性。提出的执行第一阶段着陆的构想在2015年12月实现,当时猎鹰9助推器首次成功着陆。 2011年的视频还显示了龙飞船的强制降落,尽管技术上可行,但后来由于各种原因而被放弃。目前,所有“龙”飞船都将使用常规降落伞方法降落在海洋中。在本文中,我们要关注火箭的整个不同部分,即上级(第二级)。在旧的SpaceX动画中,第二阶段使用隔热罩重新进入大气层,然后着陆在坚实的地面上:

自该视频发布以来,SpaceX专注于重用第一阶段。它约占 火箭总费用的60% 并且由于其速度远低于第二级,因此在技术上更易于重用,从而无需隔热罩。初始 试图登陆第一阶段 开始于2013年9月,之后 几次爆炸性失败,2015年末Orbcomm-2任务期间首次成功登陆。然后,SpaceX迅速达到了一个目标,即第一阶段着陆被认为是发射过程中的大部分日常工作。然后,埃隆·马斯克(Elon Musk)恢复了他的计划,以重新使用上级火箭,以使“猎鹰9”和“猎鹰重型”完全可重复使用。

猎鹰重型侧面助推器着陆(来源:SpaceX)

Recovering the second stage is much more complicated than the first stage, which is the main reason the project was eventually abandoned. The main problem is that unlike the first stage, the second stage needs to achieve orbital velocity to complete its mission. Orbital velocity is roughly 5 times higher than the speed reached 通过 the first stage. 那’第二阶段在重新进入大气层之前必须以某种方式消除掉大量的能量,否则它将消耗掉。

一种选择是在相反的方向重新点燃发动机,并消除至少一部分速度。但这需要大量的燃料,在大规模的第一阶段着陆时还可以,但是第二阶段要小得多,燃料也少得多。减速的一种更具成本效益的方法是在重返过程中利用大气制动。它不需要任何燃料,但会产生大量的热能,需要将其散发以防止平台燃烧。这就是为什么舞台需要隔热罩的原因。在上面的视频中,第二阶段的尖端具有某种隔热罩。 太空X在隔热罩方面拥有丰富的经验-他们的Dragon飞船具有由PICA-X制成的烧蚀罩,因此’从理论上讲,可以为第二阶段配备类似的东西。

龙’s PICA-X隔热板(来源:SpaceX)

让’据说,由于有了隔热罩,第二级可以在大气折返中幸存下来,而没有任何损坏。怎么办?舞台仍然以高超音速运转,需要以某种方式降落。降落伞是一种选择,但它们笨重,不准确且不切实际,因为降落在地面上时第二阶段会被损坏。降落伞可用于降落在海洋中,但海水腐蚀性极强,因此降落水也会损坏舞台。

With parachutes ruled out, the 上ly conceivable option is to perform a propulsive landing similar to how the first stage is recovered. At first glance, it’s exactly the same technique that 太空X has already mastered with the booster, so it should be a piece of cake, right? Not quite. The Merlin engine is quite powerful 和 the almost empty second stage is rather light (about 5 tons). 那 means the stage would not 上ly decelerate too quickly 和 abruptly after engine ignition (which would lead to very high G forces), but it would eventually start ascending again, away from the landing zone.

Merlin 1D-Vac喷嘴(来源:Steve Jurvetson)

第一阶段有相同的问题,尽管它比第二阶段重数倍,并且只有九个发动机中的一个(或三台)用于着陆。发动机提供了很大的推力,以至于在放慢空载高度后,如果继续燃烧,它将开始再次向上推动。因此,需要对落地进行完美的计算,计时和执行,以使平台在与落地垫接触的同一时间达到0 m / s。这是一项非常苛刻的操作,需要通过高级算法以及Merlin来实现’能够根据需要在较大范围内减小或增加推力。对于小型轻量级的第二阶段,这种降落机动将是极其困难的,即使不是不可能的。

那’不是唯一的问题。第二阶段的Merlin引擎在很多方面与第一阶段的Merlin引擎不同。它针对真空操作进行了优化,而第一级发动机则针对大气飞行而设计。最明显的区别是真空发动机的发动机喷嘴,它比第一阶段中使用的大气压Merlin更大,更脆弱。由于进入空气的压力或由于在大气中点燃了经过真空优化的发动机,因此通过大气几乎可以肯定会撕下喷嘴。因此,使用主真空发动机在第二阶段着陆是不现实的。但是,2011年的视频显示SpaceX已经计划了其他事情。

在McGregor进行的SuperDraco测试期间,DragonFly(来源:SpaceX)

计划似乎是将第二级发动机缩回该级内部,以在返回水面时保护易碎的喷嘴。随后,可以看出该平台确实会执行推进着陆,但使用的是位于梅林周围的辅助引擎。也许SpaceX会’利用了目前用于乘员龙的SuperDraco发动机’s中止系统。 SuperDraco的推力为73 kN,足以将几乎空的上平台降落。

因此,为了完成第二阶段的强制着陆,SpaceX必须至少在第二阶段配备防热罩,额外的SuperDraco发动机,着陆腿以及某种保护脆弱的真空发动机的系统(或者,可以是可以在重新进入之前将喷嘴抛弃的机制)。伊隆·马斯克(Elon Musk)说 推特 绝对有可能使第二阶段恢复原状,并且“只是问我们需要增加多少重量”(意味着隔热板,额外发动机和其他硬件的额外重量)。

恢复第二阶段在技术上当然是可行的,但是SpaceX在第二阶段中添加的每克克(使其可恢复)将转化为减少整个火箭的最大有效载荷容量。从理论上讲,猎鹰重型火箭具有更大的有效载荷能力,因此第二阶段的恢复要可行得多,因此没有客户会充分利用它。由于恢复硬件的重量增加,该多余的容量可能使第二阶段的恢复成为可能。

猎鹰重型演示发射场(来源:SpaceX)

2017年4月,马斯克表示,他正在考虑在猎鹰重型示威任务中进行第二阶段的恢复尝试。最终没有进行此尝试,但表明Elon仍在尝试第二阶段可重用性。格温妮·肖特韦尔(Gwynne Shotwell)在2017年秋天证实了这一点,当时她说SpaceX将于2018年在Falcon 9上层飞机上尝试软着陆。火箭和重用高层已经不再计划。

另一方面,马斯克在2018年4月宣布 鸣叫 太空X将尝试使用巨型气球从轨道上空恢复。 他解释 气球的优点是可以在超音速下保持其形状,并且可以将弹道系数降低两个数量级。这意味着它将利用空气动力学阻力实现大幅减速。马斯克没有确切说明他在说哪种气球以及如何使用它,但是有人猜测使用 选票。它’s是一种针对高海拔和超音速而优化的制动气球。

F-111F飞机释放了马克82高阻力炸弹的负载(来源:美国空军)

Elon added that the upper stage would then “land 上 a bouncy house”. Sounds familiar? 那’之所以这么做,是因为SpaceX最初计划将有效载荷整流罩放置在Elon称为充气房的东西上。在另一个 鸣叫,伊隆(Elon)表示,这艘船与史蒂文(Steven)先生(现称树女士)相似,目前用于捕捞猎鹰’的有效载荷整流罩,也可能用于赶上第二阶段。

史蒂文先生正在做SpaceX整流罩捕捞船’装备新武器后,在圣佩德罗火山Pt Fermin进行的第一天海上试验。新的武器支持更大的网络,可以从SpaceX发射中恢复整流罩。查尔斯·本内特(Charles Bennett)摄

与往常一样,情况可能会发生变化。 2018年11月,马斯克提出了一项修订计划。 太空X将取代Falcon 9’缩小版的即将来临的BFR航天器的上部,形成一个“miniBFR”。此步骤旨在加速全尺寸BFR的开发。然而,在宣布miniBFR计划仅10天后,马斯克写道 推特 太空X不再计划升级Falcon 9以实现完全可重用性,而是将重点放在开发全尺寸BFR(现在称为Starship)上。

顶部带有微型BFR的Falcon 9风扇图像(来源:/ u / purpleefilthh)

无论采用哪种方式切片,都能恢复猎鹰’上阶段将是一项艰巨的任务,需要对火箭进行重大修改。 太空X最终认为,鉴于完全可重复使用的Starship的发展速度和相对较低的第二阶段成本(大约是Falcon 9价格的20%,而Falcon Heavy的价格则更低),这可能毫无意义。除非SpaceX在“星际飞船”的开发过程中遇到无法解决的问题,这最终意味着随着时间的推移最终取代“猎鹰”和“龙”,否则我们将永远不会看到可重复使用的第二阶段。

这篇文章是 最初以捷克文出版 由Petr Melechin撰写,然后由VlastimilŠvancara和MaxKlimeš翻译成英文。

已取消的SpaceX项目的前几期:

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Tony Su

如果恢复第二阶段是一个经济问题,
为什么不让用完的第2阶段模块收集和运行,直到它们中的足够一块可以一起返回地球?
因此,例如,如果当前的第1级猎鹰助推器由于具有9台merlin发动机而可以经济地重复使用,那么在一次任务中返还9个第2级模块(每个模块都配备一个发动机)是否有意义?

也许这将需要执行一项特殊任务,该任务将具有将第2阶段模块绑定在一起的所有必要项目,或者根据认为必要的项目而定。“piggy back” payload.

-al

也许可以将用完的第二阶段聚集在一起并组装成有用的空间站结构?为此,请让第二阶段自己获得足够的燃料以到达稳定的停车轨道。