獵鷹9號火箭

獵鷹9號火箭

獵鷹9號(Falcon 9)火箭是美國SpaceX公司研製的可回收式中型運載火箭。2012年5月22日,“龍”飛船搭載該型火箭發射升空,作為第一架飛往“國際空間站”的商業運輸飛船。“獵鷹9號”作為美國航空航天局商業軌道運輸服務平台正式開始其太空之旅,取代太空梭向“國際空間站”運送貨物和人員。2013年12月3日,美國太空探索技術公司SpaceX成功向地球同步轉移軌道發射通信衛星,成為美國第一家進入商業衛星發射領域的民營企業。2015年6月28日,獵鷹9號火箭在升空後在空中爆炸解體;7月20日,獵鷹9號火箭爆炸原因查明:氦瓶鋼支架存在缺陷。2016年4月8日,美國太空探索技術公司的“獵鷹9”火箭發射升空;美國東部時間4月12日凌晨,獵鷹9號一級火箭回到了發射場附近的港池。當地時間2016年9月1日早上,SpaceX火箭在發射台上進行測試時意外發生爆炸,直接導致Facebook的第一顆網際網路衛星被完全摧毀,損失達2億美元。2017年2月18日,用“獵鷹9”火箭發射“龍”貨運飛船,為國際空間站送去補給和科學實驗設備等。2017年7月6日,SpaceX成功發射獵鷹9號火箭。

基本信息

研製背景

獵鷹9號火箭獵鷹9號火箭
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

海上火箭降落埠海上火箭降落埠
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)
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

著陸瞬間著陸瞬間

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。

同時要控制火箭的垂直姿態,這需要藉助橫向推力器來實現,龐之浩將此喻為“雜技般的平衡”。“火箭的長細比越大,其姿態越難控制。”他說,“這次失敗也與其中一台橫向推力器的推力過大有關。”
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
24 獵鷹9號 2016.9.1 9:07(爆炸時間) 以色列Amos-6通信衛星 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 加利福尼亞州范登堡空軍基地 成功

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