Spacex星际飞船的变迁史,马斯克的星舰是怎么来的(四)?

第7版(2017年9月大猎鹰火箭)

几个月后,SpaceX决定采用直径更小的9米(29.5英尺)的设计,以避免建造一个全新的工厂。这将减轻生产的成本,避免更复杂和昂贵的物流阶段运输和测试。修改后的设计将被称为大猎鹰火箭(BFR)。
当2017年的BFR设计在国际宇航大会上宣布时,它高106米(347.8英尺),总重量只有4400吨,可以将150吨的可重复使用有效载荷送入轨道。在2015年10月至2016年9月期间,该设计的尺寸增加了一倍多,缩小到最小尺寸。
58米(190.3英尺)高的BFR助推器重达3065吨,由31台猛禽发动机提供动力,产生52700千牛(11847400磅)的推力,这相当于35架A380飞机产生的推力。这艘大型猎鹰船(BFS)的长度缩小到48米(157.5英尺),它的增压体积为825立方米,无载荷重量为1185吨,返回有效载荷高达50吨。

猛禽


BFS放弃了它的三个大型伸缩式着陆腿,换成了四个更小的伸缩式着陆腿。此外它还拥有四个真空优化的猛禽引擎,围绕着两个(后来的三个)猛禽着陆发动机,并增加了一对三角翼来提供俯仰和横摇控制。这反过来又会扩大飞行包线,使BFS能够在各种大气密度下着陆。前面的大窗户被分成两扇大窗户,排成一排。它还最终解决了辐射问题,包括一个太阳风暴庇护所的40个舱室。


由于增加了一个带有巨大有效载荷舱和铰链门的BFS货运版本,BFR获得了发射和回收卫星的能力。这一点,再加上其较小的规模,给了它一个比its更好的商业案例。SpaceX表示,这一设计将是猎鹰9家族的继承者。此外,它还有可能在一小时内对地球任何地方进行点对点旅行、空间站补给和月球表面任务。

猎鹰9号发射

第8版(大猎鹰火箭/星际飞船2018年9月)

该设计的下一次迭代是渐进式的,并于2018年9月首次亮相,当时日本亿万富翁前泽宇萨库(Yusaku Maezawa)也宣布了登月计划。经历了118.39m(1.38 m)的增长(设计),BFR助推器长了5米(16.4英尺),达到63米(206.7英尺)。
BFS的长度增长了15%,达到55米(180.4英尺),主要由一个扩大的约1100立方米的加压舱驱动。为BFS提供动力的是七个海平面优化的猛禽发动机,产生13729千牛(3086500磅)的推力,这相当于9架A380产生的推力。

有助于控制火箭的是前鸭翼和后面的三翼布局,这三个鳍也将取代以前的机翼和可伸缩的着陆腿。新的BFS还将重新设计上一次在2016年ITS太空船上看到的大型前窗。
此外,马斯克还暗示了在星际飞船上重新引入猛禽真空发动机的可能性,但他说:“我觉得这是对BFR,BFS的广泛架构决策的最后一次迭代”。随后在2018年11月改名,BFS变成了星际飞船,BFR助推器变为超重型猎鹰火箭。

spacex龙飞船

第9版(星际飞船2019年3月)

2019年1月公布的第9个版本嘲讽了马斯克之前的“最终迭代”声明。碳纤维星际飞船的建造一直滞后,本次版本将先前设计的碳纤维结构换成了301不锈钢,烧蚀PICA热屏蔽在所有以前的设计被一个再生热屏蔽设计取代。在这艘飞船里,液态甲烷会被热量蒸发,并通过微小的孔逸出船壳。这将把热量从飞船上转移出去,在进入大气层时保护它。
1月24日,马斯克在接受《大众机械》主编瑞安·达戈斯蒂诺(Ryan D'Agostino)采访时指出,一系列因素促使301系列不锈钢的设计发生变化:它比碳纤维更好地处理结构应力,耐热性远高于碳纤维(788摄氏度对250摄氏度),每公斤成本为3美元,而碳纤维价格为135美元,在低温条件下,纤维钢的韧性在35%的温度下更容易被提高,而在大多数情况下,碳纤维的韧性也没有提高到50%。
301不锈钢是一种高强度钢合金,含有16-18%的铬、6-8%的镍、高达2%的锰、1%的硅、0.15%的碳、0.045%的磷、0.03%的硫和0.1%的氮。在室温下,它的最小屈服强度为205兆帕(30000磅/平方英寸),抗氧化能力可达788摄氏度(1450华氏度)。

不锈钢

高屈服强度、耐热性和良好的耐腐蚀性使其成为飞机结构件的常用合金,它也常用于电器、地铁车厢、水槽、桌布,甚至是许多读者厨房里的餐具。301不锈钢也是低温火箭推进剂罐的极好材料。当从室温冷却到-196摄氏度(-320华氏度)的过冷液氧温度时,其屈服强度提高了约67%(310至517兆帕/45000至75000磅/平方英寸)。
不锈钢在火箭技术中有着悠久的历史,最早的轨道运载火箭便是其中之一,SM-65阿特拉斯洲际弹道导弹(ICBM)就是用不锈钢制造的。为了节省质量,阿特拉斯火箭使用非常薄的不锈钢气球推进剂罐。气球罐提供最小的结构支撑,所以要保持直立,必须加压。类似的,星际飞船和超重型火箭都会有部分不锈钢气球罐。它们可能足够强大,可以在飞行过程中进行无压力地面操作,同时还能节省质量。

版本10(星际飞船2019年9月)

2019年5月,星际飞船的设计再次开始改变,星际飞船上层改用了3台猛禽真空发动机和3台猛禽海平面发动机。
2019年9月在博卡奇卡展出的星际飞船Mark 1就是这个版本的原型。在声明中,马斯克宣布了进一步的改变。

未来星舰

星际飞船的上层长度将缩小5米(16.4英尺)至50米(164.0英尺),并放弃了双驱动翼的三翼布局,以更好地控制大气机动,同时质量更轻。它还将使用瓷砖代替再生隔热罩,靠6个着陆支腿上降落,而不是4个。
超重型猎鹰火箭增加了六个猛禽发动机,总共37个,长度增加了5米(16.4英尺),达到68米(223.1英尺),用六个固定的鳍取代了三个固定的着陆短节,并换上了焊接的不锈钢网格鳍。
在星际飞船上使用六个着陆腿,在超重型火箭上使用六个着陆鳍可以减少风险,因为缺少一个腿或者鳍失效是一个关键的故障。用驱动后翼取代后三翼布局,可以在大气机动中获得更好的平衡和更多的控制。由于星际猛禽五号飞船增加的六个引擎的重力损失也会大大减少。
改用瓷砖的优点是不依赖低温液体,这可能会堵塞再生隔热板的孔隙。缺点是新的隔热板设计可能需要在每次飞行后检查和更换损坏的瓷砖。这是通过使用较长时间的大气进入来实现的,这将有助于星际飞船能保持在临界水平以下的温度。
由此产生的星际飞船/超重型火箭在升空时重量为5000吨,有效载荷为118米(387.1英尺)。一艘载有1200吨推进剂和100多吨货物和机组人员的星际飞船将坐在上面。可供选择的上层包括货舱变体,它可以容纳150吨的货物,以及一艘装有超大油箱的油轮。这个巨大的超重型火箭位于其下方,可容纳3300吨推进剂。它将用37台猛禽发动机产生的72569千牛(16314200磅力)的推力将其推离发射台,相当于48架A380飞机同时起飞,才能达到超重型火箭的推力,而其推进剂的重量就超过了整个土星五号火箭的质量。

第11版(星际飞船2020年5月)

第十一个版本的设计中又增加了另一个星际飞船变型:一个推进剂储存船。在2020年3月16日确认对设计进行了一系列修改后,新版本开始成形,随后在推特上发布消息。

星舰原型机

这些变化包括改用304L低碳不锈钢结构,将超重型级加长2米,达到70米(229.7英尺),整个烟囱达到122米(400.3英尺),推进剂质量增加了300吨(661400磅),拆除了六台(后来的九台)猛禽发动机,一种新的,更高推力版本的猛禽引擎,增加了新的六边形,自动调平可伸缩的登陆腿,其他潜在的变化包括嵌入式引擎和更有效的坦克曲率。
在更高的质量曲率和更高的质量曲率都会改善坦克和更有效的坦克。这些变化将增加进入轨道的有效载荷,并有可能降低每公斤和每位乘客的成本。改进后的支腿将提高火箭的着陆稳定性,并且可能会增加可重复使用该级的次数。
2020年4月30日,有消息称,SpaceX公司赢得了一份价值1.35亿美元的美国航天局Artemis项目合同,该合同是一艘登月版星际飞船。它将使阿波罗LM登月器相形见绌,在50米(164.0英尺)的高度比7.0米(22.9英尺)高出7倍,乘员容量是50倍(100比2),增压体积是150倍(1000立方米对6.65立方米)。这个版本有可能降落100吨货物,比整个阿波罗计划期间在月球上行走的宇航员多8倍。


SpaceX的Artemis相关计划要求进行一次LEO星际飞船的飞行,一次星际飞船和太空油轮之间的推进剂转移,更长时间的轨道星际飞船任务,以及一次超越近地轨道的飞行,所有这些都将在2022年登月演示任务之前进行。
为了减少质量,月球着陆器版本的星际飞船将没有空气动力学控制面或TPS,并使用不同的下降引擎,因为有可能被猛禽发动机吹动月球表面的碎片。六个推进器出现在飞船侧面的更高位置,这一设计类似于美国宇航局兰利大力神的概念,它还将配备两个完全冗余的气闸室。然而,当日本亿万富翁前泽绕月飞行时,将搭载的将是普通的星际飞船,而不是月球着陆器变型。

猛禽发动机

在2020年9月1日的推特上,马斯克指出了发动机的进一步变化,超重型现在只使用28个猛禽发动机,比以前少了3个。普通猛禽发动机的推力将从200 tf增加到210 tf(2059 kN/463000lbf),而新的固定推力版本将产生300 tf(2942 kN/661400lbf)。8个在中央位置安装,可变推力万向架猛禽将帮助超重型猎鹰火箭执行方向改变,20个更强大的非框架猛禽将提供大部分推力。
尽管减少了三台发动机,总推力仍将从72569千牛(16314200磅力)攀升至75315千牛(16931500磅力)的3.8%。要超过超重型猎鹰火箭的推力,至少需要51架A380客机。

注:本文从转载网上翻译的NSF最新文章,对原翻译的部分句子或者词语做了修改,原文作者是菲利普·盖纳。