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解读 | 重型猎 鹰火箭的第三次成功

发布日期: 2019-06-27
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解读 | 重型猎 鹰火箭的第三次成功


来源:卫星与网络

作者 | 张雪松



北京时间下午2:30分,美国SpaceX公司的 重型猎鹰火箭成功进行了第三次发射。常言道事不过三,又有一 鼓作气再而衰三而竭,但重型 猎鹰的本次发射依然热度不减,因为任 务具有空前的技术挑战性,仍吸引 了全世界航天相关人士关注的目光。火箭发 射升空后虽然芯一级回收失败,不过其 他任务圆满完成,尤为可 喜的是整流罩首次回收成功,算是一 个意外的惊喜了。


视频来源:WT字幕组


超难任务 · 挑战多


重型猎鹰STP-2任务是SpaceX公司历 史上难度最大的发射任务,它使用 的本来就是还不算成熟的火箭型号,而且还 要面对多个高难度挑战:


  1. 火箭二级4次点火,将24颗卫星送入3个轨道面!

  2. 史上最 远距离也是再入速度最快的芯级回收!

  3. 再次尝试回收整流罩!


解读 | 重型猎
鹰火箭的第三次成功


首先看第一项:火箭二级4次点火,这也是STP-2任务最硬核的部分了。


先来了 解一下目前世界主力火箭这方面的情况。我国长 征三号甲火箭第三级只有二次点火能力,为了直接发射MEO轨道的北斗卫星,还专门 研制了远征系列上面级,而远征 一号和二号只有两次点火能力。美国航 天技术水平领先世界各国,其宇宙神5和德尔塔4火箭使用氢氧上面级,具备直 接将卫星送入静止轨道的能力,但也只用到3次点火。俄罗斯 倒是有点火次数更多的上面级,但无论 是微风上面级还是弗雷盖上面级,都使用 常温自燃推进剂。和它们相比,重型猎 鹰火箭使用半低温的液氧煤油推进剂,第二级还要进行4次点火,而且首 尾点火时间间隔长达3个半小时,其难度是空前的。


解读 | 重型猎
鹰火箭的第三次成功


也许有人问,猎鹰九 号火箭第一级回收的过程中,有时也 需要发动机进行三次点火,这看起来没那么难吧?其实不然,火箭二 级在地球轨道上长时间巡航,除了要 求二级设备和发动机具备更长的工作时间,还要克 服失重带来的推进剂沉底难题,以及轨 道上高低温环境带来的推进剂温控等难题,这都是 火箭一级回收时不曾面对的考验。更关键的是,这次任 务不仅是重型猎鹰首次一箭多星发射,还要把24颗卫星分别送入3个轨道面,分别是

  • 倾角28.5度、近地点 和远地点分别为300公里和860公里的轨道;

  • 倾角24度、轨道高度720公里的圆轨道;

  • 以及倾角42度、近地点6000公里、远地点12000公里的轨道。



一箭多星、还要送 入多个轨道高度和倾角都截然不同的轨道面,难度可见一斑!这不仅 要求火箭具备多次点火能力,也对导 航制导控制系统提出了很高要求,还要求 有足够的运力转换轨道面。


再看第二项,史上最 远距离也是再入速度最快的芯级回收。重型猎 鹰火箭的运载能力很强,STP-2任务的载荷虽然有3.7吨左右,而且需要射入3个轨道面,但重型 猎鹰火箭并没有因此运力捉襟见肘,依据就是——芯一级 原定在距离岸边39公里的回收船上降落,这是受 限于卡纳维拉尔角只有两个降落点,否则完 全可以让芯一级飞回发射场,实现三 枚火箭同时降落的壮观画面。有趣的是,STP-2任务发射前,SpaceX临时决 定将回收船部署到距离发射场1245公里外,创下有 史以来最远的芯一级船降纪录,此前火 箭芯一级海上回收距离陆地最远的是上一发重型猎鹰火箭,为970公里。


解读 | 重型猎
鹰火箭的第三次成功


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鹰火箭的第三次成功

通常整 流罩属于非飞行部件,更不属 于部署的航天器,但这次 任务却不同往常:应军方要求,发射一 个特制版的整流罩,为美国 空军收集声学数据。


原定回收地点离岸仅39公里,可见此 次发射芯一级的超远距离降落回收和火箭运力并无关系。有消息称,本次发 射美国空军要求收集整流罩声学数据,这就要 求火箭加速到芯一级速度极限,模拟发 射大质量卫星的场景,这可能 是临时更改为测试极限距离回收的主要原因,不过这 也意味着火箭芯一级将以前所未有的速度,再入大气层并回收。根据发 射直播视频上显示的数据,STP-2任务中 芯一级关机速度高达11080公里/小时,要比重 型猎鹰第二次发射即发射ArabSat-6A卫星时10700公里/小时的 关机速度还要高一些,更不要 说重型猎鹰首飞时9540公里/小时的关机速度了。


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鹰火箭的第三次成功

箭体上 的灼烧痕迹是两枚助推器的复用勋章;崭新的 芯一级最终遗憾坠入大海。


高速度 意味着再入时的超高温考验。遗憾的是,本次重 型猎鹰没能拿到满分——火箭芯 一级虽然顺利再入,但最后 没能降落到海上回收船上,而是直接坠落到海里。从直播视频看,芯一级 火箭的减速和控制都不太对劲,事后确 认是火箭的发动机舱烧穿,导致中 央那台发动机的矢量控制失效。猎鹰火 箭芯一级垂直降落全靠这台发动机的摆动来控制姿态和弹道,发动机推力矢量失效,芯一级 自然无法准确降落了。



换句话说,如果将 来不加强发动机舱防热措施的话,这就是 猎鹰火箭芯一级再入速度的极限了。从重型猎鹰芯一级11080公里/小时的极限速度推断,只要试图回收芯一级,火箭运 力就要受到极大的限制,无法接 近一次性使用时那令人震惊的强大运力。考虑到SpaceX公司一 直要回收复用重型猎鹰的芯一级,看来未 来芯一级技术迭代还有得折腾。


第三项 也就是整流罩回收,这次捕 获回收成功真是意外之喜!事后有 外国网友精辟总结:1.5年,3套手臂,4次换网,无数次测试,2个大洋,5次失败,更名后 终于成功回收整流罩。


此前距 离成功最近的一次,整流罩 在回收船几十米外落入大海。本次,公司大 老板马斯克已经一颗红心两手准备,一方面 继续改进捕获船,另一方 面直接使用海里捞上来的整流罩。其实今 年星链卫星首次发射时,就成功 复用了被海水浸泡过的整流罩,但马斯 克显然还不死心,一定要实现完美复用!捕获船 进行了最新升级:四个网臂的张角放大,扩大了捕获网的面积;还把黄 色网改头换面变为蓝色网;并将名字从“斯蒂文先生”(Mr Steven)改名为“树女士”(Ms Tree)。也许是 更新升级带来捕获能力升级,也许是 改名带来了好运气,STP-2发射任务中,树女士 完美地接到了一片整流罩,火箭整 流罩回收终于首获成功!


2015年底,猎鹰火 箭一级才首次垂直着陆成功,其后,马斯克和SpaceX用很短 的时间就让猎鹰火箭回收这件事变得毫无悬念;如此说来,未来整 流罩的成功回收也可能很快就成为世人习以为常的事。大家可 千万不要小看整流罩,为了保护卫星等载荷,看着只 有一层壳的整流罩也是高成本的子系统,据称它 占了火箭成本的10%左右,或者说 一个整流罩就价值几百万美元。如果日 后整流罩回收常态化,猎鹰系 列火箭的成本将得以继续降低,其在世 界商业发射市场上的竞争力就更是一骑绝尘了。


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鹰火箭的第三次成功



发射成功 · 价值大


重型猎鹰火箭的STP-2任务已经发射成功,它还有 一些其他的花絮:

  • 这是SpaceX公司接 到的价值最高的发射合同,美国空军为此支付1.6亿美元,比马斯 克报出的一次性重型猎鹰1.5亿美元 的发射报价还要高;

  • 这次任 务还是重型猎鹰首次夜间发射,不过对于轻车熟路的SpaceX公司来说,夜间发 射早已没有什么难度和挑战了;

  • 这次任 务也有商业化的部分,运送了152位逝者 的骨灰进入太空,包括航天员Bill Pogue和航天记者Frank sietzen的骨灰,不过这只是Celestis公司的商业项目,而且并 非首次太空骨灰发射。


STP-2发射任务圆满完成,重型猎 鹰第三次发射成功,最大的赢家可以说是SpaceX公司和美国空军。复用火箭对SpaceX公司已经不新鲜,但对美 国空军是全新事物,通过这 次任务的摸索和学习,美国空 军将逐步建立重复使用火箭的使用流程和规范,未来可 使用复用火箭进行更多的发射,降低航 天任务的发射成本。SpaceX公司通 过这次发射成功也大有收获——猎鹰九 号火箭已经通过了美国航天局和美国空军的资格认证,重型猎 鹰火箭却还需要连续三次发射成功才行。


从2018年首飞成功开始到STP-2任务正好是三次发射,至此重 型猎鹰通过美国空军的资格认证。STP-2任务还 特意验证了多次点火和多轨道面发射能力,证明重 型猎鹰火箭具备将卫星直送静止轨道的能力。重型猎 鹰火箭的运力能满足美国空军目前所有的发射任务需求,可预见 的未来也不存在它无法发射的大型卫星,看来,传统军 事发射承包商美国联合发射联盟(ULA)的好日子是要到头了。猎鹰九 号和重型猎鹰火箭物美价廉,在未来 的国家安全发射任务(NSSL)竞标中 处于非常有利的位置。虽然NSSL第一阶段没有SpaceX公司,但美国 空军表示并不影响其进入第二阶段竞标,同时强调,未来NSSL合同将分给两家公司,大致按照60:40的比例。现在NSSL第一阶段的4家公司,联合发 射联盟可以说是美国空军的“亲儿子”,而且历 史发射记录保持良好;蓝色起 源公司和诺斯洛普·格鲁曼 公司的新火箭均处于不利地位,以至于 蓝色起源公司的老板贝索斯一再要求推迟竞标。大胆预测,如果不出意外,未来NSSL合同将是SpaceX公司拿到60%而联合发射联盟拿到40%。同样,三次成功发射后,价格和 利润最高的国家侦察局大型卫星发射合同,重型猎 鹰火箭也有了竞标资格。未来发 射直送静止轨道的大型侦察卫星,是选1.6亿美元 的重型猎鹰还是3.5亿美元的重型德尔塔IV,或是2亿多美元的火神火箭?相信美 国空军会做出明智的选择。毫不夸张地说,重型猎 鹰火箭的这次成功,让SpaceX公司拿 到军用发射市场中利润最丰厚俱乐部的入场券。


解读 | 重型猎
鹰火箭的第三次成功




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