挑战新高度,SpaceX新规划雄心勃勃

发表于 2024-1-30 11:20 |
近日,美国SpaceX公司创始人马斯克在演讲中提到了2024年乃至更长远的任务规划,其中涉及加紧推进“星舰”试飞入轨并部署卫星,力争将“星舰”复用模式下近地轨道运力提升到200吨,加速建设和更新星链星座,开通卫星直连手机业务等。那么,想要实现这些任务目标,SpaceX公司需要克服哪些挑战?一旦其“梦想成真”,这些成就有可能造成怎样的影响呢?

频繁发射  目标加码
2023年初,SpaceX公司创始人马斯克声称,要在当年完成100次航天发射。外界普遍对此将信将疑,毕竟这个发射次数似乎是一家商业航天公司无法想象的“高度”。事实上,SpaceX公司在2023年确实未达成目标,但完成了91次猎鹰9火箭入轨发射、5次猎鹰重型火箭入轨发射和2次“星舰”试飞,大幅刷新了一款火箭全年发射次数的纪录。

据统计,SpaceX公司在2023年占据了全球航天成功发射次数的约45%,运送了约80%的全球入轨载荷总质量。那么这家商业航天公司为何能够实现如此出色的成就呢?

直接答案可以用一个词来回答,那就是“复用性”。近日,马斯克在SpaceX公司年度会议上表示:“可复用性是太空未来发展必不可少的关键。我们需要火箭的可复用性,就像我们需要汽车、飞机、自行车和马的可复用性……让人类成为多行星物种所必需的根本发明,基本上就是能够快速重复使用的可靠火箭。”

火箭能够回收复用,往往就意味着更低的单次发射成本和更短的火箭发射周期,频繁出现的“N手火箭”正是SpaceX影响的基础公司对全球商业航天产生重大。而SpaceX公司的火箭第一级或助推器能够反复通过高温、振动、精确选择着陆点等考验,离不开箭体结构、发动机、材料、导航、计算机等诸多领域的技术进步和积累。考虑到美国航天产业链比较完善,配套厂商和发射设施众多,越来越短的火箭发射周期同样展现了SpaceX公司优秀的综合管理和组织协调能力。

目前,单枚猎鹰9火箭第一级的复用纪录是“19手”,累计将200余吨载荷送入轨道,而整个猎鹰系列火箭在2023年的回收成功率更是达到了100%。依靠火箭第一级或助推器复用,SpaceX公司显著降低了发射成本,提升了市场竞争力,在国际上大幅抢占了其他国家经典型号火箭的市场份额,同时收获了大量美国政府和军方的订单,打破了联合发射联盟等传统航天巨头的垄断。

2024年,SpaceX计划进行144次航天发射,设定年度增长率50%,发射入轨的载荷总质量预计会达到2600余吨,可能会占据全球航天发射入轨总质量的90%左右。这个宏伟目标能否实现,SpaceX公司会不会迎来具备足够潜力的竞争者,我们不妨拭目以待。

加紧测试  力求突破



猎鹰9火箭为SpaceX公司发展壮大立下了汗马功劳,但更多被马斯克视为维持公司运营的“过渡型号”,真正的目标型号则是“星舰”。

作为瞄准“完全复用”的重型火箭,当前“星舰”的高度超过120米,直径约9米,是全球最大、推力最强的火箭,设计复用模式下近地轨道运力约150吨。而这并非最终目标,马斯克近日透露,第三版“星舰”已完成设计,高度将达到140~150米,复用模式下近地轨道运力会提升到200吨。

2023年,“星舰”实施了两次试飞,均在空中爆炸自毁。不过,SpaceX公司推进“星舰”研发与测试时,遵循快速迭代原则,只要资源投入有保障,就会频繁尝试“破坏性”试飞,以便及时收获反馈,从而在后续试验箭上不断优化与提升。正如马斯克所说:“牺牲硬件总比牺牲时间要好,时间才是真正的货币。”

事实上,“星舰”第二次试飞表明,发射设施改进后符合要求,第一级点火起飞和两级分离表现出色,比第一次试飞进步明显。

今年1月12日,马斯克披露了“星舰”第二次试飞未能入轨的原因:空中爆炸与按计划进行的推进剂排放操作有关,因为发动机燃烧结束时要排掉多余的推进剂,以确保“星舰”第二级的“多余”推进剂在重返大气层之前用完。马斯克认为,如果“星舰”第二次试飞时搭载了有效载荷,就不会有“多余”推进剂需要排放,“星舰”也就有希望入轨。

不过,“星舰”实际进度已落后于之前的乐观预期,又承受着“阻碍美国重返月球”等外界压力,因此SpaceX公司正在加紧筹备“星舰”第三次试飞,最早有望在2月12日进行。

“星舰”第三次试飞的首要目标就是入轨,为后续的复杂在轨测试“铺平道路”。

第二个目标是开展“星舰”顶部贮箱支持发动机测试。顶部贮箱是“星舰”第二级(也就是飞船)前端较小的球形贮箱,内部的推进剂专门用于保障第二级再入和着陆。马斯克称,这次测试将验证“星舰”第二级是否能够依靠顶部贮箱在太空中启动发动机,以便可靠地脱轨制动。

第三个目标是将推进剂从“星舰”顶部贮箱传输至主贮箱。

众所周知,“星舰”的发动机使用液氧甲烷推进剂,以低温状态贮存。而“星舰”进入近地轨道后已消耗了大部分推进剂,如果企图进一步前往外星球,必须进行在轨推进剂补加作业,需要克服推进剂沉底和蒸发、长期在轨管理、低温下机械适应性、发动机重复启动、自主交会对接等难题。

考虑到综合难度较高,在“星舰”第三次试射中,科研人员只会测试推进剂在箭体内部两个贮箱之内进行转移,暂不涉及多发“星舰”之间传输推进剂。

完善组网  应对更新



其实,“星舰”第三次试飞还有一个重要目标,那就是测试PEZ卫星分配器和载荷投送舱门,加速星链星座组网和更新。

所谓“PEZ卫星分配器”,就是“星舰”内部搭载卫星的固定支架和部署机构,设计可以将大量卫星通过箭体侧面开口“弹”到轨道上。到时候,“星舰”部署卫星的情景和工作原理类似近百年前的PEZ弹射糖果玩具,该装置也由此得名。

星链星座是马斯克在2015年提出的太空高速互联网项目,旨在借助大量近地轨道卫星,提供覆盖全球的高速互联网接入服务。截至2024年1月29日,累计共有5700多颗星链卫星被发射升空,占据全球近地轨道卫星总数过半。未来,星链星座组网建设将进一步提速,但也面临着早期卫星到寿等压力,必须尽快补充发射。与此同时,星链卫星不断更新换代,宽带容量、搭载能力提升,应用了激光传输、新型霍尔推进器等,尺寸和重量同样“水涨船高”,需要更强大的发射部署工具。

马斯克表示,今年星链星座的目标是为全球过半人口开通互联网服务,到2027年,4.2万颗星链卫星将部署完毕。“星舰”的容积和运力远远超过猎鹰9火箭,可以搭载和部署更多更大的卫星,这对于星链星座“扩张版图”是至关重要的。

最近,SpaceX公司发射了第一批能够直连手机的星链卫星,通过与运营商设施合作,未来逐步提供发短信、通话、上网等服务。外界认为,星链星座更有优势的使用场景是在人口密度较低、地面基础设施不完善的地区,而不是人口稠密的城市,这也有助于SpaceX公司与多国运营商开展合作。

除了公布这些近期任务外,马斯克在演讲中又宣传了未来宏大的太空计划,包括利用“星舰”向近地轨道和外星球投送更多的人员和物资,建设近地轨道空间站和月球基地、移民火星等。这些远景设想似乎显得不切实际,但我们回顾8年前猎鹰9火箭第一级成功回收,可能当时谁也不会想到SpaceX公司能够取得如今的成就。

航天是伴随梦想前行的事业,各国航天工作人员正在为梦想和成功而努力。或许正如马斯克所言:“我们所拥有的文明,其实只是广袤黑暗中的一枚非常微小的蜡烛。我们必须尽一切可能,确保这枚蜡烛不会熄灭。”


来源:[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]中国航天报·飞天科普周刊

峨山网 ( 滇公网安备:53042602000003号 备案号:滇ICP备07500970号-2 )

GMT+8, 2024-2-22 06:43 , Processed in 0.044292 second(s), 16 queries .

返回顶部