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    SpaceX猎鹰9火箭没有进行回收?这是为什么?

    2018-12-25 09:41:57 来源: 泰伯网
    聊聊

    SpaceX的各种进展都会引起航天从业者和爱好者的关注,星仔作为其中一员也不例外。这两年我们已经习惯了看到带着栅格舵和着陆腿的猎鹰9火箭,然而12月23日执行GPS III SV01任务(载荷为首颗第三代GPS卫星GPS III A-1)的猎鹰9 Block5(B1054.1)竟然没有栅格舵和着陆腿,这一简陋的构型真的已经多年未见了,感觉……好像猎鹰9出门少穿了几件衣服……。这种配置自然也就意味着这一发猎鹰9没有进行回收。


    回收?还是不回收?这是个问题

    GPS III SV01任务(作者Geoff Barrett)

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    光杆的B1054.1和完整版的Block5版本

    B1054.1甫一露面就引起很多讨论:这样一发设计可以重复使用十次以上的Block5火箭,竟然一次性使用,有无搞错?马斯克受了CRS-16回收失败的刺激破罐子破摔了?还是美国空军财大气粗就是这么任性?

    本期星仔就和大家一起探讨此次不回收的原因以及SpaceX发射任务中是否开展回收/采用何种回收方式的原则。

    真的是受到CRS-16回收失利的影响吗?

    很自然的,有些人可能会怀疑取消回收是受到本月5日的CRS-16陆上回收失败的影响。

    CRS-16本来是一次平淡无奇的发射,唯一特别的是这是猎鹰9 Block5首次执行对国际空间站的货运补给任务。
     

    回收?还是不回收?这是个问题

    熟悉SpaceX的人会期待看到上面的场景

    顺便叹一句“啧啧,老司机,稳”
     

    回收?还是不回收?这是个问题

    成功回收已经是近两年SpaceX的日常

    在CRS-16发射之前,猎鹰9芯一级(包含重型猎鹰三枚通用芯级回收)在37次(不含伞回收)回收尝试中成功降落31次,成功率84%,其中17次已经飞行了第二次任务,其中包括2次猎鹰重型助推器。海上回收25次,失败6次,陆地回收12次,全部成功。
     

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    CRS-16之前SpaceX回收情况统计(来源Wikipedia)

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    2018年SpaceX在CRS-16任务之前发射情况统计

    而现实却出乎绝大多数人的意料,执行CRS-16任务的全新的B1050.1因为栅格舵伺服系统故障回收失败。此次回收是SpaceX陆地回收首次遭遇失败。
     

    回收?还是不回收?这是个问题

    然而CRS-16任务的结局却是这样……

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    B1050.1:我觉得我还可以抢救一下

    Emmmmmm……

    回收?还是不回收?这是个问题

    (左为直播后发布会上神色凝重的SpaceX副总裁Hans Koenigsmann)

    失败总是很糟心,SpaceX甚至在直播中掐了一子级的信号。但是,一子级回收并不影响载荷,CRS-16货运飞船也成功入轨。从时间上看,GPS III SV01任务早就确定了,不可能临时修改箭体结构。

    那还会是什么原因呢?

    从火箭性能方面看,是否能回收,一看火箭本身是否采用回收设计或者是否具有回收价值,二看运载能力是否满足回收要求。

    猎鹰9从1.2版本以来,都可以回收,执行这次任务的B1054.1属于最新的Block5当然没有问题。1.2版本只能复用一次,多数情况下第二次发射就不回收了,是拉回来不能用还占地方,不如直接扔海里变珊瑚礁,而B1054.1作为可以重复使用十次以上的最新版本也不存在没有回收价值的问题。

    那就是回收状态的运载能力不足?那我们就一起来看看回收对猎鹰9运载能力有多大影响:

    问题1:这些年SpaceX都发射了些什么到什么轨道?

    猎鹰9的典型任务包括向国际空间站运送货物,发射通信卫星和地球观测卫星到地球同步转移轨道(GTO)和低地球轨道(LEO),包括部分极轨道(PO),以及少量高轨道载荷。高轨道任务包括发射外太空气候观测站(DSCOVR)到太阳拉格朗日 L1点,向月球飞行轨道上发射的凌日系外行星勘测卫星(TESS),以及猎鹰重型试飞发射特斯拉到火星轨道以外的日心轨道。

    问题2: SpaceX从哪儿发射?到哪儿回收?回收方式是怎样的?

    谈回收之前,我们先来看看SpaceX的发射与回收设施。

    SpaceX目前在东海岸的卡纳维拉尔角、肯尼迪航天中心和西海岸的范登堡空军基地运营三个发射场。范登堡发射场可以实现高轨道倾角的轨道(66-145°),包括极轨道(PO)和太阳同步轨道(SSO),而卡纳维拉尔角可以实现中等轨道倾角的轨道,最高可达51.6°,主要有LEO(近地轨道)和GTO(地球同步转移轨道)。卡纳维拉尔角的LC-13现已改名为LZ-1,2017年旁边增建了LZ-2用于回收猎鹰重型火箭的第二个助推器。
     

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    卡纳维拉尔角和肯尼迪中心的发射场和回收场

    (沿海岸线依次为SLC-40、LC-39A、LZ-2、LZ-1)

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    LZ-1和LZ-2,重型猎鹰两个助推器稳稳落地就是在这儿

    东部的范登堡空军基地的SLC-4E射向向南,用于发射极轨道(PO)和SSO,但不能发射到低倾角轨道。发射后着陆将在邻近的SLC-4W进行(改建为LZ-4)。
     

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    SLC-4E发射场和LZ-4回收场(引自网友Raul的General SpaceX Map)

    除了三个陆地回收场,SpaceX还有引以为傲的海上回收平台(ASDS),分别为“当然,我依然爱你”、“请看说明书”以及在建的“庄严的短缺”。如果GPS III SV01任务需要海上回收,现役的回收船可以保障海上着陆(上次东海岸海上回收是在11月15日)。
     

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    海上回收平台

    问题3:回收会对运载能力造成多大的影响?

    先来看看猎鹰9一次性不回收任务都有哪些。

    猎鹰9不回收状态发射的最大载荷10 颗铱星NEXT卫星,重量为9600kg(777km极轨道)。GTO轨道最大载荷为通讯卫星Intelsat 35e,重量6761kg。轨道高度最高当属DSCOVR的HEO(L1)轨道了。早期1.0、1.1版本不能回收,1.2版本只能复用一次,在第二次发射后多数不回收,这是受到火箭可重复使用性能的限制;部分高轨道发射任务也不回收,这就是运载能力的限制了。
     

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    陆地回收则几乎都用于LEO轨道发射,其中货运飞船最多(比如这次的CRS-16)。陆地回收状态下发射过的最大载荷为X-37B OTV-5,重量为4990kg(LEO)。
     

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    海上回收发射的最大载荷为10 颗铱星NEXT卫星(与一次性使用的最大载荷相同),重量为9600k(PO),GTO最大载荷为通讯卫星Telstar 19V,7075kg(目前为止猎鹰9所有GTO发射中最大的载荷)。

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    SpaceX海上回收点分布

    (蓝色为猎鹰9一子级回收点,引自网友Raul的General SpaceX Map)

    回收?还是不回收?这是个问题

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    对比这些统计数字,我们不难看出,对于现有的GTO、PO、LEO任务,猎鹰9海上回收的运载能力和一次性使用已经没有明显区别,其中PO轨道的载荷已经接近现有过渡支架承载能力的上限。而陆地回收对运载能力有明显限制,没有超过5t,且基本上都是LEO轨道。

    问题4:回收为什么会对运载能力造成影响?

    根据回收过程点火次数不同,猎鹰9的一级回收弹道有两次点火和三次点火的区别。两次点火时是在再入大气层前减速点火和着陆段的制动点火,着陆点在发射弹道的航迹线下(其着陆点主要由分离位置速度决定),主要采用海上驳船回收方式回收。海上回收点距离发射点距离约为600-700km,主要用于发射GTO载荷。其典型飞行时序剖面如下:
     

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    航线下海上驳船回收飞行时序剖面图(远陆地海上着陆)

    对于三次点火回收方式,比两次点火多一次机动点火(反推点火或叫着陆点修正点火),这次点火的目的是调整回收着陆点,通过这次机动,可将着陆点选择为发射场,也可以选择为其他(可达范围内)指定着陆点。海上回收点距离发射点距离为200-400km,主要用于发射PO载荷(如铱星NEXT),路上回收点一般用于回收LEO轨道的龙飞船。其典型的飞行时序剖面如下:
     

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    子级在驳船上回收飞行剖面示意图(近陆地海上着陆)

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    子级返回原场回收飞行剖面示意图

    正如图中所示,陆地回收需要三次点火,消耗推进剂量比较大,自然是对运载能力的影响最大,而对于海上回收,不需要一子级转向往回飞,推进剂消耗量自然大减,尤其是远陆点海上回收,仅需要两次点火。从实际结果来看,重复使用对GTO、LEO载荷的运载能力的影响比较小,以至于NASA在对比各家火箭运载能力时直接选用了猎鹰9重复使用条件下的运载能力。

    说了这么多,对于这次任务,如果猎鹰9进行回收,运载能力到底够不够?

    首先需要注意的是,这次任务的MEO轨道SpaceX之前并没有发射过。

    GPS III A-01卫星重量为4400kg,轨道为20181km×20181km,轨道倾角55°。按照此次任务的时序,火箭二级经过接近一小时的滑行二次关机,高度为1220km,之后是近47分钟的无动力滑行直至星箭分离。火箭将卫星送入一个近地点不大于1220km,远地点约为20000km的椭圆轨道。而猎鹰9在11月15日的发射将5300kg的Es'hail-2卫星送入了200km×37700km的椭圆轨道上,之后B1047.2第二次成功海上着陆。海上回收条件下发射的GTO轨道最大载荷Telestar 19V的重量更是高达7060kg。根据星仔弹道专业的同事的计算,虽然这次发射的近地点高于GTO轨道,轨道倾角由GTO的接近0°变成了55°,但猎鹰9海上回收状态下运载能力其实能够满足发射入轨的需要。
     

    回收?还是不回收?这是个问题

    GPS III SV01任务时序

    回收?还是不回收?这是个问题

    Telestar 19V任务时序

    那还有什么其他因素影响吗?

    从此次任务的时序上看,B1054.1一级工作164s,二级工作326s(第一次点火)+46s(第二次点火),两次工作过程中有一个1h的滑行段,用于进入1000km以上的入轨高度。而海上回收的Telestar 19V任务中火箭一级工作150s,二级工作338s(第一次点火)+50s(第二次点火)。对比可以看出,如果一子级回收,则需要多消耗近10%的推进剂,二级需要工作更长时间,B1054.1一子级竭尽全力的工作一定程度上降低了二子级的压力,为这次重要的发射任务提供了很大余量。

    留出这些余量的一个重要目的是为了满足此次发射的用户——美国空军的特殊要求。美国空军要求猎鹰9的二级有足够的推进剂用于离轨以再入大气层销毁——为了避免产生太空垃圾。此次任务美国空军方面的主管表示猎鹰9“没有足够的性能同时满足我们的要求和回收——虽然他们在(回收)这件事上做的很成功”。这也就解释了此次任务中二级发动机工作时间更短的现象——为了给二级保留更多的推进剂实现离轨,而经过同事的专业计算,这次留给火箭二级离轨的余量也是非常的足够……

    美国空军在重要载荷的发射上一贯慎之又慎,“只要有一丝风险或变化,都要最大限度地避免”。比如,就在这次任务中,为了增加发射的“弹性”,作为第三代GPS的首星,GPS III A01相比当初的设计增加了半吨多的推进剂……火箭二级非常“足够”的推进剂余量更是给发射上了双保险。所以,也很难说SpaceX这次选择不回收是因为运力不足还是为了“保成功”,真相大概只有美国空军和SpaceX知道了。

    唯一可以肯定的是,美国空军肯定给了足够的钱让SpaceX把号称可以重复使用十次乃至百次的猎鹰9 Block5送入大西洋海底。

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