「独家」揭秘美国太空探索技术公司的海上平台

1 海上回收平台简介

美国太空探索技术公司(SpaceX)的海上回收平台称为“自动航天港无人船”(Autonomous Spaceport Drone Ship,ASDS),是在甲板驳船的基础上改进而来,安装了用于维持位置的动力系统,以及大型的着陆平台,能够实现自动控制或远程遥控,在海上作为猎鹰- 9(Falcon - 9)火箭一子级着陆的平台,是该公司火箭重复使用计划的重要设施。

SpaceX 公司共有3 个海上回收平台,其中2 个在用,另外一个(也是最早投入使用的平台)已不再执行发射任务。在用的2 个海上平台代号为“请阅读说明”(Just Read the Instructions)和“当然我依然爱你”(Of Course I St ill Love You)。

“请阅读说明”平台停靠在西海岸附近,在太平洋上回收从范登堡空军基地执行发射任务的猎鹰- 9 火箭一子级;“当然我依然爱你”平台停靠在东海岸附近,在大西洋上回收从卡纳维拉尔角空军基地发射的猎鹰- 9 火箭一子级。

SpaceX 公司的海上回收平台均改装自麦克唐纳海事服务公司的Marmac 30X 系列甲板驳船,最早投入使用的海上回收平台改装自Marmac 300 甲板驳船,在用的“请阅读说明”回收平台改装自Marmac 303 甲板驳船,“当然我依然爱你”回收平台改装自Marmac 304 甲板驳船。三艘甲板驳船的性能参数基本相同。

「独家」揭秘美国太空探索技术公司的海上平台

2 从甲板驳船到海上回收平台的改进

为了使甲板驳船适用于猎鹰- 9 火箭一子级着陆回收任务,SpaceX 公司对Marmac 30X 系列甲板驳船进行了大量改进,主要包括4 个方面:

首先是扩展了甲板面积,保证有足够的着陆区域;

其次是为甲板驳船安装了动力系统,使平台能够在海洋中保持相对稳定的位置;

再次,为平台上的设备箱增加了起到保护作用的防爆隔离板等防护措施,以防在一子级未能成功着陆或者发生爆炸时,减小对平台设备的影响;

最后,则是设计了用于固定火箭一子级的机器人,未来可能实现无人自主的回收操作,大幅降低风险。

增加甲板面积

Marmac 30X 系列甲板驳船的甲板宽度仅有30.48m,而猎鹰- 9 火箭一子级的着陆支架在展开之后的最大宽度大约为14.7m,所以SpaceX 在甲板驳船两侧增加了甲板扩展区,将甲板宽度扩展为51.81m。同时,将其他船上设备布置到了甲板两头,这样在平台中部形成了一个51.81m×65.22m 的矩形着陆区。甲板扩展区都是通过焊接的方式直接连接到甲板驳船上。

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安装动力系统

为了能够使海上回收平台在海洋上保持相对固定的位置,配合火箭一子级的着陆动作,SpaceX 公司在回收平台上安装了4 台功率220kW 的方位推力器,用于调整平台的位置,能够使平台在海浪环境中维持稳定的位置。伊隆·马斯克在2014 年曾表示海上回收平台利用上述4 台方位推力器以及GPS 定位信息,“能够在风暴中将位置精度维持在3m 以内”。

防护措施

在火箭一子级着陆时可能会发生意外,包括火箭速度未能得到有效控制而直接撞到平台上、火箭姿态调整不到位发生倾倒,以及发生爆炸等,为了保护平台上的设备,SpaceX 公司在平台上设置防爆隔离板,并且还在不断对防护措施进行升级,包括隔离板的位置和面积等都有所调整。经过进一步改进之后,平台尾部防爆隔离板的下方腾出了部分空间,并设计出了一个相对封闭的空间。平台头部的防爆隔离板也向平台中心移动了一段距离,为隔离板和船上设备之间增加了一个缓冲带,可以提供更多的保护。

自主操作机器人

除了上述针对驳船的改造之外,2017 年3 月有社交媒体网站上透露了“当然我依然爱你”海上回收平台上出现了一个白色的“机器人”。虽然SpaceX公司还没有正式对外公布该设备的具体用途,但是根据初步推测,该设备很可能是用于固定火箭一子级,进一步实现火箭一子级回收处理的无人自主化操作。

现在猎鹰- 9 火箭一子级降落到平台上之后,需要将其焊接到甲板上进行固定,之后再运回港口开展后续的处理和维护工作。而这个白色的“机器人”很可能能够自主(或者远程遥控)实现固定一子级的目标。

按照推测,在火箭一子级降落在平台甲板后,该设备会钻到火箭下方,伸出4 个液压臂,通过夹紧和支撑火箭底部的发动机支架结构,实现对一子级的固定。

3 海上回收平台的牵引船和支援船

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4 海上回收平台的动力系统

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5 海上回收平台的操作过程

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6 小结

海上回收平台作为SpaceX 火箭复用计划的重要组成部分,从2015 年1 月首次尝试利用海上平台回收火箭,到2017 年4 月底已经进行了18 次海上平台回收任务,失败5 次,成功13 次,尤其是2017 年以来的9 次海上平台回收全部取得成功。

在过去几年的时间里,SpaceX 的海上回收平台不断进行改进、更新,为SpaceX 公司火箭重复使用计划的顺利实施提供重要保障。今后,海上回收平台还会持续进行升级,朝着实现无人自主化操作的方向发展。


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