星际飞船的故事:通过水塔通往星星



自2002年5月公司成立以来,埃隆·马斯克(Elon Musk)宣布,降低进入太空的成本以及人类的崛起是火星殖民化的可能性,这是SpaceX存在的目标。 但是,这样的雄心勃勃的计划无法通过“面具”的初始投资(约1亿美元)来实现,因此SpaceX着手开发一款相对适中的运载火箭“猎鹰1”,该运载火箭仅能将420千克的载荷送入低地球轨道。



然而,早在200511月 ,即在他的第一枚火箭发射之前,整个公司只有大约160名员工,他宣布了计划制造出一种超重火箭,用于飞往火星,能够将100吨有效载荷送入轨道。 该项目被称为“ BFR”,后来正式解密为“大猎鹰火箭”,原始的非正式名称也被翻译为“该死的大火箭”。 在其第一阶段,应该是Merlin 2氧-煤油发动机的放大版本,他们计划用再生冷却代替燃烧室的消融冷却(在第一种情况下,在燃烧室的壁上使用特殊材料来冷却燃烧室,该材料逐渐蒸发,然后在第二种情况下,为此使用通过许多磨碎的通道泵送燃料或氧化剂)。 通过它的推力,该发动机应该只能屈服于RD-170,而猛禽氧氢发动机应该处于第二阶段。

但是到2008年底前3项Falcon 1发射失败,使该公司濒临破产,因此不得不暂时搁置战略计划,以便为正在进行的项目的实施寻找资金。 尽管如此,已经在2010年7月30日,汤姆·马库西奇 Tom Markusic)在AIAA联合推进演示中介绍了该项目的技术细节。

当时,该导弹是扩大型的Falcon 9,具有3种版本:直径6 m的Falcon X / Falcon X Heavy和直径10 m的Falcon XX。为其提供了一对发动机:第一阶段将由煤油发动机驱动Merlin 2的推力为770吨力,在海平面上的比冲为285秒,在真空中为870吨和321秒,两种情况下燃烧室的压力均为138个大气压。 第二阶段应该是在117个大气压下安装一台Raptor氢氧发动机,其推力为68吨,脉冲为470秒。 运载火箭分别向低地球轨道发射38吨,125吨和140吨有效载荷。


比较猎鹰9号和土星5号新导弹的尺寸(左)。

然而,几乎立即发现,显然不可能制造出具有两种燃料的系统,其中一种也是氢。 由于SpaceX工作中的关键方法之一,伊隆·马斯克(Elon Musk)宣布拒绝昂贵的解决方案,因此决定几乎立即放弃此选择。 201211月,马斯克公开宣布将在其新火箭上安装甲烷氧气发动机。 不久之后,他宣布了她神秘的缩写“ MCT”,原来是“火星殖民地运输”(Mars Colonial Transport)这个名字的缩写,原本应该一次将100人运送到火星。

在2013年第二季度,马斯克宣布 ,SpaceX不会在常规的MCT飞往火星的航班开始之前进行IPO(公开发行股票)。 他称其原因是,交易所投资者对实施时间太长的项目不感兴趣,从而可能导致公司管理上的冲突。

同样在这个时候,宣布猛禽的推力将增加到300吨。 2014年2月19日,在加利福尼亚州圣塔芭芭拉举行的会议上,SpaceX发动机制造副总裁托马斯·穆勒(Thomas Muller)宣布,猛禽将有一套完整的燃料成分气化方案。 当时,世界上只有两种这样的发动机-苏联的640吨RD-270和美国的112吨IPD-出于各种原因,两者的测试从未完成。

由于IPD的开发是在NASA的主持下进行的,因此立刻属于美国所有公民,因此SpaceX充分利用了这些优势,并获得了使用该设备的机会 ,甚至吸引了一些从事此工作的专家,因为该项目没有延续性。 Raptor气体发生器的测试于2014年5月开始,到4月21日 ,在Stennis航天中心(密西西比州)完成了用于测试所有发动机子系统的测试台。 此后不久,试验就开始在较小型的发动机上进行,推力约为100吨。

2016年9月28日,在国际宇航大会上,Ilon Mask首次亲自提出了火星运输项目,该项目应该具有真正的疯狂特征。 这款直径为12米,高度为122米的2级“ ITS”运载火箭(代表“行星际运输系统”)总质量为1.05万吨,发推力为1.3万吨,并将可重复使用/一次性使用的300吨和550吨货物送入轨道。 就这些指标而言,ITS至少应超过以前制造的所有运载火箭的3.5倍。

当时的Raptor发动机应该产生310吨的推力推力,在大气压版本中产生334秒的比冲,而在真空中-357吨力和382秒的冲力。 发动机燃烧室中的压力也必须超过当时存在的所有类似物,达到300个大气压。

第一阶段本应具有275吨的干重,该阶段的总质量为6975吨,并具有42个大气压猛禽。 该船和油轮的干重分别为150/90吨,有效载荷300/380吨和总重量1950/2500吨。 它们应该已经安装在3个大气压和6个真空版本的发动机上,它们的长度为49.5米。 同时,计划仅实现这艘船的发射成本为4300万美元,油轮的发射成本为800万美元,考虑到一次发送100名乘客,票价仅为每人14万美元。



为了了解指标对系统的疯狂程度,只需查看其质量完美程度(空火箭级的质量与加油火箭的总质量之比):因此对于第一级,它应该是0.039,对于一艘油轮,它应该是0.036。 相比之下,俄罗斯-乌克兰的Zenit-3MS火箭,第一阶段的数值仅为0.079,第二阶段的数值仅为0.094,而Falcon 9 Block 5运载火箭的数值分别为0.065和0.04。 由于碳纤维作为结构材料的广泛使用,SpaceX计划实现所有这些目标。

在这种情况下,该项目面临严重的技术问题也就不足为奇了。 在2017年9月29日举行的下一届国际宇航大会上,埃隆·马斯克 Elon Musk)再次提出了一个项目,该项目经历了向下的重大变化。 该系统的总重量减少至4400吨,第一阶段采用5400吨牵引力和31台发动机。 系统的尺寸也减小了:直径开始为9米,总高度为106米。 船上还剩下3台大气发动机和4台真空发动机,结构总质量为1335吨,长度为48米。 猛禽的特征也下降了:气压为250个大气压,173吨的牵引力,大气压版本在大气压/真空下的比冲为330/356秒和194吨的牵引力,在真空版本下为375秒的冲量。

但是,有一个好消息:到此时,≈100吨推力版本的猛禽已经通过了42次测试,总持续时间超过20分钟。 同时,燃烧室内的压力升至200个大气压。

在2018年,对系统更改的介绍与首位乘客的登场-亿万富翁Yusaku Maedzawa的介绍相结合,因此技术部分被证明是微不足道的。 马斯克在2018年9月17日的这次演讲中宣布的主要变化可能是将船长增加到55米,并且仅在大气版本中安装了7架Raptor发动机。 进行此类更改的原因是希望快速切换到系统的商业运行状态。

在2018年10月,马斯克决定将可重复使用的系统转移到钢中作为结构材料,他后来称其为该系统的最佳设计解决方案,因为钢的成本仅为碳纤维成本的2%(3美元对每1千克近200美元),并且在低温和高温下也具有很强的强度。



2018年12月上旬,在Boca Chica(得克萨斯州)的私人SpaceX宇宙飞船上,一个不寻常的装置开始组装,该装置终于在1月10日形成。 事实证明,该设备是Starhopper-星际飞船的39米精简版,专为发动机的首次飞行测试,低温油箱的制造技术及其加油而设计。

为了测试Starhopper 在Boca Chica中安装了容量为432 m 3的液态氧和364 m 3的液态甲烷的储罐,这些储罐预先装有气体载体。 Starhopper内部和表面的工作持续了几个月,并且为了便于进入内部,其弓形没有牢固固定,因此暴风雨在1月23日以80 km / h的速度爆发并损坏了整流罩。 他们决定不恢复它,而是用一个半球形的盖子盖住Starhopper。



但是,有关该项目的好消息又在2月3日早上出现:在麦格雷戈(德克萨斯州)的测试现场,开始了对全尺寸猛禽的首次测试,此后立即以非常激进的速度进行。

到2月7日,猛禽在257个大气压的燃烧室中以“暖”燃料产生了172吨的推力 ,高于在运载火箭和舰船上使用时所需要的170吨力的阈值。 2月10日,达到268.9个大气压的压力,相当于大约180吨的推力。 并计划在2月21日之前对1号发动机进行损坏 ,以进行测试以提高压力。


Starhopper将于2019年3月8日运输到德克萨斯州博卡奇卡的发射场。

4月3日, Starhopper用2号发动机完成了第一次燃烧,然后在4月5日用小小的跳绳牵引至大约1米的高度。

5月,在Boca Chica铺设了星舰Mk1,与此同时,在佛罗里达州可可开始了星舰Mk2的平行铺设! 建造原型的团队使用不同的建造方法,因此彼此竞争,因此而得名:博卡奇卡(Boca Chica)的Mk1由“红色”团队建造,而在可可(Coco)建造Mk2的团队变为“蓝色”。 这是有回报的,因为可可的蓝色团队从一开始就设法加快了建设进度,尽管他们后来才开始建设。 但是,为了在演示时完成Mk1的建造,他们的部分团队暂时搬到了Boca Chica。

与此同时,Starhopper的测试仍在继续:7月22日,他进行了持续22秒,高18米的全面飞行。

但是,发动机测试进行得并不顺利:为了解决技术问题而使3号和4号发动机丢失,而5号发动机由于设计缺陷而使氧气涡轮机定子移位 ,这就是为什么他们还决定将其拆卸以备件的原因。

所有这些,再加上以600 Hz频率振动的危险问题, 可以击败 6号猛禽。 尽管他仍然有大约40%的推力损坏的风险,但这并不会干扰Starhopper的冗长测试,因为同时推力不应降到50%以下。

8月27日,Starhopper的最后一次飞行是使用6号发动机在150米的高度进行的,历时约57秒。 之后,决定仅将其用于发动机燃烧试验。



值得注意的是,在测试过程中花费如此多的引擎是很平常的事:例如,在RD-270测试中使用了22件 ,而为完全完成测试,则需要多达200件。

尽管如此,节流发动机的问题还是在6月28日引起,伊洛娜·马斯克(Ilona Mask)提出了以250吨恒定推力制造简化版发动机的想法。 同样是在6月,人们知道,星际飞船试验的成功说服了3家电信公司选择这家运营商,作为2021年将其卫星送入轨道的一种手段。

根据目前的数据,Starship Mk1原型机在50米的高度重约200吨 ,但计划在第4或第5艘船上将其重量减少到120吨。 该船的质量将必须达到1400吨,而系统的总质量将高达5000吨。



目前,SpaceX已向美国联邦航空局提交了一项星舰Mk1试飞申请,根据SpaceX国家安全合同总监Gary Henry的说法,该飞行应在大约2个月内完成。 根据Mask的说法,Starship可以在2020年首次进入轨道,这意味着此时的组装也属于第一阶段-Super Heavy。

猛禽




最近,马斯克还提供了有关发动机设计的一些细节。 它的燃烧室和喷嘴具有由铣削铜通道制成的冷却套,负载从铬镍铁合金传递到套管。 为了有效混合燃料成分,使用了许多同轴离心喷嘴 。 还值得注意的是,一架猛禽中的涡轮机容量高达74兆瓦

马斯克还说,到今年年底,计划达到每年500猛禽的生产速度。 据他估计,批量生产将使成本降低10倍以上。 在未来的版本中,计划达到1.5吨的Raptor质量,推力重量比超过170。此外,根据环境分析 ,Raptor喷嘴的特性已为人所知:
特色临界截面半径圆角半径接触角喷嘴出口直径喷嘴长度
价值0.111 m0.033 m32°1.3米1.53米
Starship所有版本的特性比较表( 放大版):

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN472874/


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