研製背景
太空探索技術公司(SpaceX)由美國億萬富翁埃隆·馬斯克(ElonMusk)在2002年創建,將堅持不懈的創業精神融入到航天探索當中去,而就在不久以前,向軌道發射火箭的活動幾乎完全由政府機構控制。埃隆·馬斯克是線上支付系統PayPal的創始人,他希望消除官僚機構的繁瑣程式,增強做事效率,通過不斷創新以及內部生產和測試,將火箭發射的成本降至只有傳統方法的十分之一。傳統的運載火箭是一次性使用的,在發射後墜回地面,在大氣層中燃燒殆盡,只剩下一些金屬殘片。而垂直起降的運載火箭在落回地面後,只要稍加修復,重新加注燃料就可再次發射,大大降低了發射成本。研製過程
2014年10月19日,位於美國加利福尼亞州的太空探索技術公司日前宣布,它的“草蜢”火箭在本月初的試驗中創造了一項新紀錄:火箭由發射台點火後飛到744米的空中,然後又垂直降落回發射台。這家企業在其網站上公布了7日進行的試驗的視頻,整個試驗過程持續78.8秒,火箭降回地面後外觀完好。與傳統運載火箭相比,“草蜢”外形上最大的不同是帶有四條鋼鋁結構的“腿”,它們帶有液壓減震器。這四條“腿”使火箭能抵禦垂直落回地面的巨大衝擊而不致嚴重損壞。太空探索技術公司說,“草蜢”的試驗是這家企業研發垂直起降、完全可重複使用運載火箭的“關鍵一步”。這家企業正在開發其“獵鷹9號”運載火箭的可重複使用版本,並在2014年9月底的一次發射中,成功回收“獵鷹9號”的部分一級火箭。
2015年1月6日19:20,由SpaceX研製的獵鷹9號(Falcon9)運載火箭原本計畫在美國卡納維拉爾角空軍基地發射升空,但在倒計時進入1分鐘時發射任務被緊急中止,SpaceX稱由於火箭的“二級推力矢量控制驅動器發生飄移”使得本次發射任務被緊急終止。由於1月6日的發射視窗期僅有1秒,因此本次發射任務已經取消,下次發射的視窗在本周五,也就是1月9號,預期發射時間是美國東部時間凌晨5:09。
設計思路
回收利用
“獵鷹9號”第一級就比“獵鷹1號”大許多,乍看上去幾乎一模一樣,只不過第二級比第一級稍短。它們的頂端和外層全部是採用超強度鋁鋰合金材料製造的。且後蓋上面蓋了特製的擋熱板,用以保護“獵鷹9號”第一級和第二級在重返地球大氣層時免遭損壞,這樣便可以回收再利用。
垂直降落
在馬斯克的構想中,不論是NASA或是民營公司都不應該任由燃料火箭成為一次性使用的物品,因此他要求SpaceX公司的工程師們,打造浮動的海上火箭降落埠(Autonomousspaceportdroneship,ASDS),並研究燃料火箭在發射任務後「如何自動並垂直降落於降落埠」的技術。這項技術的困難度在於,首先,獵鷹9號(Falcon9)火箭高達14層樓,爬升時的速度達1秒1.6公里,要讓直線上升的火箭「毫髮無傷」地垂直下降,猶如「狂風中讓橡膠掃帚柄直立於手掌上」。其次,SpaceX公司之前曾讓完成任務的燃料火箭成功降落在10公里寬的目標區內,但ASDS僅寬10公尺,兩者難度大不同。最後,位於海中的ASDS並沒有固定,要降落的燃料火箭必須藉助引擎保持下降時的平衡與穩定。性能參數
表中大部分參數來自“Falcon 9 Overview, Launch Cost ”與“Space Launch Report: SpaceX Falcon Data Sheet ”。
製造商 | SpaceX (太空探索技術公司) |
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原產國 | 美國 |
尺寸 | |
高度 | 68.4m(224.4 ft) |
直徑 | 3.7m (12 ft) |
質量 | 505,846kg(1,115,200 lb) |
級數 | 2 |
容納能力 | |
有效載荷(至LEO) | 13,150kg(28,991 lb) |
有效載荷(至GTO) | 4,850kg(10,692 lb) |
發射歷程 | |
狀態 | 現役 |
發射場 | 卡納維拉爾角SLC-40 范登堡 SLC-4E |
總發射次數 | 13 |
成功次數 | 13 |
首飛 | 2010年6月4日 |
第一級 | |
發動機 | 9 Merlin 1C |
推力 | 5000 kN |
比沖 | 海平面:255 sec (2.6 kN/kg) 真空:304 sec (3.0 kN/kg) |
燃燒時間 | 170 秒 |
燃料 | LOX/RP-1 |
第二級 | |
發動機 | 1 Merlin Vacuum |
推力 | 445 kN |
比沖 | 真空:342 sec (3.45 kN/kg) |
燃燒時間 | 345 秒 |
燃料 | LOX/RP-1 |
工作原理
這些火箭發動機採用推進器,它們所在的位置恰好是火箭發射時火焰噴射的地方。特殊外形會產生巨大的推力,使火箭騰空而起。
試射意義
美國私營企業太空探索技術公司2010年6月4日成功試射一枚“獵鷹9”號運載火箭,並將“龍”系列飛船的一個模型送至相應軌道。這次試飛是關於商用太空飛行器“獵鷹9號”可回收火箭若能成功試射,對太空探索領域來說將具有跨時代的意義,通過該火箭的自主返回技術,它將大幅縮減太空旅行的花銷。若能實現火箭的全面回收,預期發射成本將降低99%。
發射過程
美國東部時間2015年1月10日4時47分(台北時間10日17時47分),美國太空探索技術公司的“獵鷹9”火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。
美國太空探索技術公司2015年1月10日說,該公司當天發射的“獵鷹9”火箭海上回收嘗試以失敗告終,火箭在海上浮動平台硬著陸並損毀。
太空探索技術公司(SpaceX)研製的“獵鷹-9號”(Falcon9)火箭成功地從佛羅里達州卡納維拉爾角航天發射場40號發射台點火升空。這標誌著該公司研製的“龍”號太空飛船的處女航。根據該公司和美國宇航局之間簽署的契約,這種飛船將用於在NASA的太空梭全部退役後用於向國際空間站運送補給物資。此次測試飛行中,“龍”號飛船在繞地球軌道運行兩周后安全濺落於太平洋預定海域。
美國太空探索技術公司創始人伊隆·馬斯克2015年4月14日興奮地在推特上發了一張火箭升空圖片。
這是該公司繼2015年1月後,遭遇的又一次火箭海上平台軟著陸回收失敗。不過他們表示,今年6月將再次開展這項試驗。
多位航天專家覺得,目前很難預測。“該公司採用的回收方式是其他國家及航天公司從來沒有用過的。既不像太空梭那樣水平回收,也與太空梭助推器藉助降落傘回收不同,而是垂直回收。”航天專家、《國際太空》雜誌執行主編龐之浩說。
他表示,該技術難度很大,首先要讓火箭精確降落在回收平台上。這一點目前已基本實現,火箭的返回精度已達到十米左右。
此外要讓火箭實現軟著陸,其緩衝發動機的推力也要實現精準控制。龐之浩認為,要將上述三項技術完全掌握並做到真正成熟,可能至少還需要幾年時間。
一位不便透露姓名的火箭技術專家向記者表示,此次回收失敗表明,太空探索技術公司在火箭姿態控制、支架結構設計及其與箭體結構的匹配等方面還存在問題。
回收失敗
狀況描述
美國太空探索技術公司創始人伊隆·馬斯克2015年4月14日興奮地在推特上發了一張火箭升空圖片。當天,該公司的獵鷹九號火箭成功將龍飛船送向國際空間站。但在第二天的火箭回收試驗中軟著陸又“跌跤”。事故分析
在可重複使用火箭技術領域,包括俄羅斯、中國在內的多個國家都在開展探索,但探索的方式和途徑不同。目前國際上提出的火箭回收方式包括傘降回收、氣囊回收等,垂直回收是其中一種,但技術難度較大。龐之浩介紹,垂直回收方案源於上世紀90年代美國航空航天局的三角快帆研製,太空探索技術公司經過權衡,最後確定了目前的回收方案。太空探索技術公司的這項探索並不被業內看好,阿里安、洛馬等航天界巨頭甚至將其視為天方夜譚。但龐之浩認為,無論成功與否,這種嘗試是有意義的。“現在的試驗方式並不影響火箭發射,而是在火箭完成任務的前提下,對一級火箭進行回收嘗試,可謂一舉兩得。”他說,只要能取得一次成功,再經過不斷試驗改進,成功率將會越來越高。前述火箭專家也表示,如果能有一次技術試驗的成功突破,將在箭體姿控、結構設計、回收場設計等各方面技術的攻關、協調上邁出一大步,並能獲得一系列遙控數據參數,為後續的試驗進一步奠定基礎。龐之浩認為,該技術一旦成功,將是航天史上的巨大突破。不僅能減少火箭對落區的環境污染和安全威脅,也有望使火箭發射的成本大大降低。美國太空探索技術公司(SpaceX)2015年6月28日發射一枚獵鷹9號火箭執行國際空間站貨運補給任務,火箭升空2分半鐘後突然爆炸解體,攜帶約2500公斤補給的貨艙也被炸毀。這是8個月內,空間站補給任務第3次失敗。原本計畫的火箭回收著陸試驗也未能進行。回收再次失敗
2016年1月17日,美國太空探索技術公司成功發射了搭載一顆海洋觀測衛星的“獵鷹9”火箭,但此行更受關注的任務——火箭第一級海上回收嘗試再次以失敗告終。回收成功
台北時間2016年4月9日凌晨4時52分,獵鷹九號搭載著龍飛船順利升空,一級火箭助推器分離之後,再次嘗試難度極高的海上回收任務。在此前多次嘗試失敗後,一級火箭穩穩降落在名為“我依然愛你”的海上平台,完成歷史性突破。
“獵鷹9”回收先進點
“獵鷹9”一級火箭的回收技術以著陸支架、姿態控制技術、推進劑交叉供應和高效發動機為亮點。“獵鷹9”火箭可通過主發動機3次點火制動減速,來控制火箭的下落速度,由每秒1300米減速為每秒2米。
對未來航天影響
對“獵鷹9”海上回收成功,太空探索技術公司創始人、執行長埃隆·馬斯克歡呼:“這是通往星空的又一步。”美國商業太空飛行協會發表聲明說,快速可重複使用的火箭是更經濟可行的未來太空飛行的關鍵,今天的成功是在這個領域“邁出的一大步”。美國空間新領域基金會說,這次降落不僅將對航天產業產生影響,也將對未來的人類創新產生影響。
火箭爆炸
當地時間2016年9月1日早上,SpaceX“獵鷹9號”火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地(CapeCanaveralAirForceStation)發射場爆炸。火箭攜帶的FacebookAmos-6衛星已完全被摧毀。本來,這顆衛星將於格林威治標準時間9月3日下午1點33分搭載“獵鷹9號”火箭升空,為撒哈拉沙漠以南的部分非洲地區提供網際網路服務。雖然火箭爆炸所導致的震感強烈,且持續了幾分鐘時間,但SpaceX表示,此次爆炸並未造成人員傷亡。
補給任務
2016年4月10日,美國東部時間周日7:23(台北時間周日19:23),國際空間站的太空人收到了“獵鷹9號”送來的補給。這是自2015年6月上一次補給任務失敗後,SpaceX首次成功完成飛往國際空間站的任務。“獵鷹9號”火箭此次搭載了“龍”飛船,並運送了重約7000磅(約合3175千克)的補給。其中,約3000磅(約合1361千克)為“Bigelow擴展活動模組”(BEAM),這將為國際空間站提供565立方英尺(約合16立方米)的活動空間。在到達國際空間站之後,BEAM將連線至國際空間站的Tranquility節點,並在未來4個月內進行安裝。BEAM計畫在國際空間站停留2年時間,幫助工程師收集這一模組在太空環境中使用的數據。
延遲發射
SpaceX公司原定24日再次發射獵鷹9號火箭,並將輸送SES-9通信衛星至預定軌道。該公司早前稱,此次發射將再次嘗試回收火箭,但預計未必能成功回收。24日,該公司臨時宣布再次推遲發射,並稱雖然發射推遲,但火箭和飛船狀態良好。美國媒體報導稱,該公司雖未就發射推遲說明原因,但目前火箭發射地的佛羅里達州即將迎來大風和龍捲風風暴。
重啟發射
2017年1月2日,美國太空探索技術公司稱,2016年9月“獵鷹9”號火箭爆炸事故原因已查明,計畫在1月8日重啟火箭發射任務。
太空探索技術公司在一份聲明中說,二級火箭液氧燃料箱內一個氦罐發生爆炸是“獵鷹9”號火箭爆炸的原因。短期內,太空探索技術公司將改進燃料的燃燒過程,使液氧不會置於氦罐和燃料箱外殼之間。
聲明還說,在燃料箱內膽的真空環境下,液氧的累積很容易引發爆炸,而未來相關設計也會改進。
太空探索技術公司同時確認,8日的發射任務計畫是將10顆銥星通信公司的通信衛星送入軌道。
2017年3月14日,美國太空探索技術公司發布訊息稱,搭載“回聲星-23”(ECHOSTAR23)通信衛星的獵鷹9號火箭(FALCON9)因天氣原因推遲發射。
2017年7月6日7:38分,在NASA佛羅里達州的甘迺迪航天中心LC-39A發射場,SpaceX成功發射獵鷹9號火箭。這已經是兩周內的第三次發射,前兩次的發射任務分別發生在6月23日和6月25日。
發射記錄
序號 | 運載火箭 | 發射日期 | 起飛時間 | 有效載荷 | 軌道 | 發射場 | 結果 | 備註 |
1 | 獵鷹9號 | 2010.6.4 | ||||||
2 | 獵鷹9號 | 2012.5.22 | ||||||
3 | 獵鷹9號 | 2012.10.8 | ||||||
4 | 獵鷹9號 | 2013.3.1 | ||||||
5 | 獵鷹9號 | 2013.9.10 | ||||||
6 | 獵鷹9號 | 2013.12.4 | ||||||
7 | 獵鷹9號 | 2014.4.19 | ||||||
8 | 獵鷹9號 | 2014.7.14 | ||||||
9 | 獵鷹9號 | 2014.9.7 | ||||||
10 | 獵鷹9號 | 2015.1.10 | ||||||
11 | 獵鷹9號 | 2015.2.11 | ||||||
12 | 獵鷹9號 | 2015.3.2 | ||||||
13 | 獵鷹9號 | 2015.4.14 | ||||||
14 | 獵鷹9號 | 2015.4.27 | ||||||
15 | 獵鷹9號 | 2015.6.28 | ||||||
16 | 獵鷹9號 | 2015.12.22 | ||||||
17 | 獵鷹9號 | 2016.3.5 | ||||||
18 | 獵鷹9號 | 2016.4.8 | ||||||
19 | 獵鷹9號 | 2016.5.6 | ||||||
20 | 獵鷹9號 | 2016.5.28 | ||||||
21 | 獵鷹9號 | 2016.6.15 | ||||||
22 | 獵鷹9號 | 2016.7.18 | 0:45 | 龍貨運飛船 | LEO | 卡納維拉爾角空軍基地 | 成功 | 第二次陸上火箭回收任務[25] |
23 | 獵鷹9號FT | 2016.8.14 | 1:26 | 日本Jcsat-16通信衛星 | GTO | 卡納維拉爾角空軍基地 | 成功 | 無 |
24 | 獵鷹9號 | 2016.9.1 | 9:07(爆炸時間) | 以色列Amos-6通信衛星 | 無 | 卡納維拉爾角空軍基地 | 未發射。進行靜態點火實驗時,發生爆炸 | 第二級液態氧艙的複合材料壓力容器出現故障] |
25 | 獵鷹9號 | 2017.06.25 | 13:25 | 美國衛星公司銥星通信公司(Iridium)10顆通訊衛星 | 無 | 加利福尼亞州范登堡空軍基地 | 成功 |