Spacex星際飛船的變遷史,馬斯克的星艦是怎麼來的(四)?

第7版(2017年9月大獵鷹火箭)

幾個月後,SpaceX決定採用直徑更小的9米(29.5英尺)的設計,以避免建造一個全新的工廠。這將減輕生產的成本,避免更復雜和昂貴的物流階段運輸和測試。修改後的設計將被稱為大獵鷹火箭(BFR)。
當2017年的BFR設計在國際宇航大會上宣佈時,它高106米(347.8英尺),總重量只有4400噸,可以將150噸的可重複使用有效載荷送入軌道。在2015年10月至2016年9月期間,該設計的尺寸增加了一倍多,縮小到最小尺寸。
58米(190.3英尺)高的BFR助推器重達3065噸,由31臺猛禽發動機提供動力,產生52700千牛(11847400磅)的推力,這相當於35架A380飛機產生的推力。這艘大型獵鷹船(BFS)的長度縮小到48米(157.5英尺),它的增壓體積為825立方米,無載荷重量為1185噸,返回有效載荷高達50噸。

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猛禽


BFS放棄了它的三個大型伸縮式著陸腿,換成了四個更小的伸縮式著陸腿。此外它還擁有四個真空優化的猛禽引擎,圍繞著兩個(後來的三個)猛禽著陸發動機,並增加了一對三角翼來提供俯仰和橫搖控制。這反過來又會擴大飛行包線,使BFS能夠在各種大氣密度下著陸。前面的大窗戶被分成兩扇大窗戶,排成一排。它還最終解決了輻射問題,包括一個太陽風暴庇護所的40個艙室。
由於增加了一個帶有巨大有效載荷艙和鉸鏈門的BFS貨運版本,BFR獲得了發射和回收衛星的能力。這一點,再加上其較小的規模,給了它一個比its更好的商業案例。SpaceX表示,這一設計將是獵鷹9家族的繼承者。此外,它還有可能在一小時內對地球任何地方進行點對點旅行、空間站補給和月球表面任務。

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獵鷹9號發射

第8版(大獵鷹火箭/星際飛船2018年9月)

該設計的下一次迭代是漸進式的,並於2018年9月首次亮相,當時日本億萬富翁前澤宇薩庫(Yusaku Maezawa)也宣佈了登月計劃。經歷了118.39m(1.38 m)的增長(設計),BFR助推器長了5米(16.4英尺),達到63米(206.7英尺)。
BFS的長度增長了15%,達到55米(180.4英尺),主要由一個擴大的約1100立方米的加壓艙驅動。為BFS提供動力的是七個海平面優化的猛禽發動機,產生13729千牛(3086500磅)的推力,這相當於9架A380產生的推力。

有助於控制火箭的是前鴨翼和後面的三翼佈局,這三個鰭也將取代以前的機翼和可伸縮的著陸腿。新的BFS還將重新設計上一次在2016年ITS太空船上看到的大型前窗。
此外,馬斯克還暗示了在星際飛船上重新引入猛禽真空發動機的可能性,但他說:“我覺得這是對BFR,BFS的廣泛架構決策的最後一次迭代”。隨後在2018年11月改名,BFS變成了星際飛船,BFR助推器變為超重型獵鷹火箭。

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spacex龍飛船

第9版(星際飛船2019年3月)

2019年1月公佈的第9個版本嘲諷了馬斯克之前的“最終迭代”聲明。碳纖維星際飛船的建造一直滯後,本次版本將先前設計的碳纖維結構換成了301不鏽鋼,燒蝕PICA熱屏蔽在所有以前的設計被一個再生熱屏蔽設計取代。在這艘飛船裡,液態甲烷會被熱量蒸發,並通過微小的孔逸出船殼。這將把熱量從飛船上轉移出去,在進入大氣層時保護它。
1月24日,馬斯克在接受《大眾機械》主編瑞安·達戈斯蒂諾(Ryan D'Agostino)採訪時指出,一系列因素促使301系列不鏽鋼的設計發生變化:它比碳纖維更好地處理結構應力,耐熱性遠高於碳纖維(788攝氏度對250攝氏度),每公斤成本為3美元,而碳纖維價格為135美元,在低溫條件下,纖維鋼的韌性在35%的溫度下更容易被提高,而在大多數情況下,碳纖維的韌性也沒有提高到50%。
301不鏽鋼是一種高強度鋼合金,含有16-18%的鉻、6-8%的鎳、高達2%的錳、1%的硅、0.15%的碳、0.045%的磷、0.03%的硫和0.1%的氮。在室溫下,它的最小屈服強度為205兆帕(30000磅/平方英寸),抗氧化能力可達788攝氏度(1450華氏度)。

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不鏽鋼

高屈服強度、耐熱性和良好的耐腐蝕性使其成為飛機結構件的常用合金,它也常用於電器、地鐵車廂、水槽、桌布,甚至是許多讀者廚房裡的餐具。301不鏽鋼也是低溫火箭推進劑罐的極好材料。當從室溫冷卻到-196攝氏度(-320華氏度)的過冷液氧溫度時,其屈服強度提高了約67%(310至517兆帕/45000至75000磅/平方英寸)。
不鏽鋼在火箭技術中有著悠久的歷史,最早的軌道運載火箭便是其中之一,SM-65阿特拉斯洲際彈道導彈(ICBM)就是用不鏽鋼製造的。為了節省質量,阿特拉斯火箭使用非常薄的不鏽鋼氣球推進劑罐。氣球罐提供最小的結構支撐,所以要保持直立,必須加壓。類似的,星際飛船和超重型火箭都會有部分不鏽鋼氣球罐。它們可能足夠強大,可以在飛行過程中進行無壓力地面操作,同時還能節省質量。

版本10(星際飛船2019年9月)

2019年5月,星際飛船的設計再次開始改變,星際飛船上層改用了3臺猛禽真空發動機和3臺猛禽海平面發動機。
2019年9月在博卡奇卡展出的星際飛船Mark 1就是這個版本的原型。在聲明中,馬斯克宣佈了進一步的改變。

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未來星艦

星際飛船的上層長度將縮小5米(16.4英尺)至50米(164.0英尺),並放棄了雙驅動翼的三翼佈局,以更好地控制大氣機動,同時質量更輕。它還將使用瓷磚代替再生隔熱罩,靠6個著陸支腿上降落,而不是4個。
超重型獵鷹火箭增加了六個猛禽發動機,總共37個,長度增加了5米(16.4英尺),達到68米(223.1英尺),用六個固定的鰭取代了三個固定的著陸短節,並換上了焊接的不鏽鋼網格鰭。
在星際飛船上使用六個著陸腿,在超重型火箭上使用六個著陸鰭可以減少風險,因為缺少一個腿或者鰭失效是一個關鍵的故障。用驅動後翼取代後三翼佈局,可以在大氣機動中獲得更好的平衡和更多的控制。由於星際猛禽五號飛船增加的六個引擎的重力損失也會大大減少。


改用瓷磚的優點是不依賴低溫液體,這可能會堵塞再生隔熱板的孔隙。缺點是新的隔熱板設計可能需要在每次飛行後檢查和更換損壞的瓷磚。這是通過使用較長時間的大氣進入來實現的,這將有助於星際飛船能保持在臨界水平以下的溫度。
由此產生的星際飛船/超重型火箭在升空時重量為5000噸,有效載荷為118米(387.1英尺)。一艘載有1200噸推進劑和100多噸貨物和機組人員的星際飛船將坐在上面。可供選擇的上層包括貨艙變體,它可以容納150噸的貨物,以及一艘裝有超大油箱的油輪。這個巨大的超重型火箭位於其下方,可容納3300噸推進劑。它將用37臺猛禽發動機產生的72569千牛(16314200磅力)的推力將其推離發射臺,相當於48架A380飛機同時起飛,才能達到超重型火箭的推力,而其推進劑的重量就超過了整個土星五號火箭的質量。

第11版(星際飛船2020年5月)

第十一個版本的設計中又增加了另一個星際飛船變型:一個推進劑儲存船。在2020年3月16日確認對設計進行了一系列修改後,新版本開始成形,隨後在推特上發佈消息。

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星艦原型機

這些變化包括改用304L低碳不鏽鋼結構,將超重型級加長2米,達到70米(229.7英尺),整個煙囪達到122米(400.3英尺),推進劑質量增加了300噸(661400磅),拆除了六臺(後來的九臺)猛禽發動機,一種新的,更高推力版本的猛禽引擎,增加了新的六邊形,自動調平可伸縮的登陸腿,其他潛在的變化包括嵌入式引擎和更有效的坦克曲率。
在更高的質量曲率和更高的質量曲率都會改善坦克和更有效的坦克。這些變化將增加進入軌道的有效載荷,並有可能降低每公斤和每位乘客的成本。改進後的支腿將提高火箭的著陸穩定性,並且可能會增加可重複使用該級的次數。
2020年4月30日,有消息稱,SpaceX公司贏得了一份價值1.35億美元的美國航天局Artemis項目合同,該合同是一艘登月版星際飛船。它將使阿波羅LM登月器相形見絀,在50米(164.0英尺)的高度比7.0米(22.9英尺)高出7倍,乘員容量是50倍(100比2),增壓體積是150倍(1000立方米對6.65立方米)。這個版本有可能降落100噸貨物,比整個阿波羅計劃期間在月球上行走的宇航員多8倍。
SpaceX的Artemis相關計劃要求進行一次LEO星際飛船的飛行,一次星際飛船和太空油輪之間的推進劑轉移,更長時間的軌道星際飛船任務,以及一次超越近地軌道的飛行,所有這些都將在2022年登月演示任務之前進行。


為了減少質量,月球著陸器版本的星際飛船將沒有空氣動力學控制面或TPS,並使用不同的下降引擎,因為有可能被猛禽發動機吹動月球表面的碎片。六個推進器出現在飛船側面的更高位置,這一設計類似於美國宇航局蘭利大力神的概念,它還將配備兩個完全冗餘的氣閘室。然而,當日本億萬富翁前澤繞月飛行時,將搭載的將是普通的星際飛船,而不是月球著陸器變型。

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猛禽發動機

在2020年9月1日的推特上,馬斯克指出了發動機的進一步變化,超重型現在只使用28個猛禽發動機,比以前少了3個。普通猛禽發動機的推力將從200 tf增加到210 tf(2059 kN/463000lbf),而新的固定推力版本將產生300 tf(2942 kN/661400lbf)。8個在中央位置安裝,可變推力萬向架猛禽將幫助超重型獵鷹火箭執行方向改變,20個更強大的非框架猛禽將提供大部分推力。


儘管減少了三臺發動機,總推力仍將從72569千牛(16314200磅力)攀升至75315千牛(16931500磅力)的3.8%。要超過超重型獵鷹火箭的推力,至少需要51架A380客機。

注:本文從轉載網上翻譯的NSF最新文章,對原翻譯的部分句子或者詞語做了修改,原文作者是菲利普·蓋納。


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