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猎鹰9号 (可回收式火箭)

猎鹰9号(Falcon 9)火箭由美国太空探索技术公司(SpaceX)研制。2018-06-26,SpaceX成功向地球同步转移轨道发射通信卫星,成为美国第一家进入商业卫星发射领域的民营企业。当地时间2018-06-26晚,SpaceX的猎鹰9号运载火箭在将11颗通讯卫星送入预定轨道的同时成功实现火箭第一级着陆回收。北京时间2018-06-26,美国SpaceX公司终于成功在大西洋上回收猎鹰9号一级火箭,这也是人类历史上首次在海上实现火箭回收。

1成功回收

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美国太空探索技术公司(SpaceX)是埃隆·马斯克(Elon Musk)在20026月建立的一家太空运输公司。它开发了可部分重复使用猎鹰1号和猎鹰9号运载火箭。SpaceX同时开发Dragon系列的航天器以通过猎鹰9号发射到轨道。SpaceX主要设计、测试和制造内部的部件,如MerlinKestrelDraco火箭发动机。

猎鹰9号火箭回收时接近着陆点

20151221日,SpaceX成功发射并回收猎鹰9火箭,在升空后10分钟成功完成第一级火箭回收任务。这是在美国蓝色起源公司(Blue Origin)成功让该公司的火箭(New Shepard)第一级降落回发射场约1个月后实现的。一级火箭的回收将大幅降低火箭发射费用,未来人们有望在此基础上研制出可重复使用的火箭,人类前往太空将不再昂贵,廉价太空时代即将到来。

蓝色起源公司创建者杰夫·贝索斯在Twitter上对埃隆·马斯克表示祝贺,“恭喜@SpaceX猎鹰火箭的亚轨道助推级成功着陆”,并以领先者的姿态表示,“欢迎加入这个俱乐部”。然而,早在New Shepard火箭回收成功之际,马斯克就曾在Twitter表示,New Shepard火箭和猎鹰9号是完全不同的火箭。猎鹰9号的目标是将有效荷载运送到低地球轨道,而New Shepard的目标只是将乘客送往亚轨道太空。据悉,猎鹰9号火箭可以进入124英里(约合200千米)的高空,拥有9个引擎,可以完成送入多颗卫星进入轨道的能力。而New Shepard的设计飞行高度仅为100千米,且不具备卫星发射能力。在未来几年的“太空争夺战”中,这两位科技界巨头恐怕要继续上演“龙争虎斗”。

2研发背景

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居高不下的发射成本,是制约航天工业发展的重要因素。传统上来说,火箭的结构设计决定了它将是一次性使用而不可回收再利用的。当点火升空之后,火箭会抛掉外接引擎,并耗尽其运载的全部燃料以最大限度进行加速,以便将上面级火箭及其搭载的卫星载荷送入轨道。在这一过程中,所有被抛开的组件最后都会以自由落体方式坠落并分崩离析。这样也就意味着每一次执行任务都需要一枚全新制造的火箭。

然而私营的太空探索技术公司却相信他们可以打破这一困境,让火箭的一些关键部件变得可回收。其实一枚火箭的成本,燃料仅占很小一部分。火箭的导航控制系统、燃料储箱和火箭发动机等部分才是绝对的大头。如果一枚火箭可以重复使用,那么就可以大大降低发射成本。

太空探索技术公司CEO埃隆·马斯克表示,制造能够重复使用的火箭,才是人类航天的未来。以这次发射使用的猎鹰9号火箭为例,火箭成本5000万美元,其中燃料费用仅有20万美元。

长期以来,太空探索技术公司一直在对新型的第一级火箭发动机进行测试,这种发动机可以实现再点火,从而让耗尽燃料的火箭在大气层中下落时得以减速,而其特殊设计的侧翼则可以帮助其在下降过程中调整航向,另外还在底部加装了专用于着陆的支架。

此前,他们研制了“蚱蜢”垂直起降试验飞行器,为火箭定点垂直着陆进行了试验。后来,又改装了猎鹰9号火箭的第一级进行垂直起降试验。

3研发过程

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2015110日,SpaceX发射猎鹰9号火箭,按计划,它将首次尝试进行受控的精确着陆和回收。发射的过程整体非常顺利,然而第一级回收出现了问题,重重砸在回收船上。

2015415日,SpaceX再次发射猎鹰9号火箭,虽然发射本身取得了成功,“龙”飞船飞往国际空间站,但猎鹰9号却在大西洋实施软着陆时再次以失败告终。

2015628日,SpaceX第三次发射猎鹰9号火箭。发射升空大约2分钟后,火箭在卡纳维拉尔角上空突然爆炸解体。按计划,本次发射试验要为空间站运送补给,也将再次尝试回收火箭。这是SpaceX3次火箭回收试验失败。

20151221日,SpaceX官网发布的现场直播视频显示,猎鹰9号火箭从位于美国弗罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地升空,大约230秒后火箭的第一级开始与第二级“分道扬镳”并调头返回地面,最后在一片火光中稳稳地垂直降落在距发射场不到10公里处。掌声、欢呼声在现场瞬间爆发。

4未来前景

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当年设计开发航天飞机的初衷便是希望能够部分实现可重复使用航天器的梦想,然而航天飞机技术和维护的极度复杂性让这种成本节约的初衷完全成了泡影。SpaceX公司不能重蹈覆辙。

回收后的猎鹰9号火箭

另外他们还必须设法说服卫星运营方,让后者能够放心地将他们珍贵的卫星资产交给SpaceX公司,要知道这家公司用于发射这些卫星的火箭很有可能是此前已经使用过的二手火箭。

业内人士指出:火箭发射市场的客户们并不关心火箭的可重复使用性,他们要的是在尽可能便宜的情况下实现高可靠的发射服务。可重复使用性是服务提供方面临的问题,而不是客户面临的问题。卫星运营方一般而言只有三个大的要求:按时,保质,价格合理。

但不管SpaceX公司所开展的这些实验最终结果如何,这家总部设在美国加州的私营企业至少已经成功地搅动了火箭工业界。

类似SpaceX这样的私营航天企业近年来在市场上如黑马般异军突起,提供商业级的服务和极具竞争力的价格。这让一些传统火箭发射的供应商感到威胁,如欧洲人便已经要求相关企业和部门研发下一代的新型阿里安火箭并在2020年前投入市场并能够提供具有竞争力的价格。不过按照设计,欧洲人的这种设想中的新型火箭仍将是一次性使用而不可回收的。

5专家解惑

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亚马逊旗下新谢泼德(New Shepard)火箭和美国太空探索技术公司猎鹰9号火箭有何不同?

航天专家向媒体记者介绍,新谢泼德火箭跟猎鹰九号火箭的回收原理基本相同,但技术难度有一定差别。

他表示,在飞行高度和速度方面,“新谢泼德”面向太空旅游项目,用于亚轨道发射,不会环绕地球。在完成的测试中,“新谢泼德”的飞行高度为100.4公里,速度约为每秒1.3公里。而“猎鹰9号”用于发射正式航天器,要进入轨道飞行。比如将龙飞船送入近地轨道,至少要达到每秒7.8公里的第一宇宙速度;如果是发射地球静止轨道卫星,速度则需达到每秒10公里以上。“由于飞行速度不同,火箭返回的速度也不一样,‘猎鹰9号’的返回速度要快得多。”他说。

回收后的New Shepard火箭

同时专家介绍,火箭回收时,姿态控制和回收精度非常重要。他说,从外形上看,“新谢泼德”的体型粗短,“猎鹰9号”则身材细长。两者都采用垂直回收方式,长细比越大,控制难度就越大,因此“新谢泼德”的姿态控制相对容易。另外,“猎鹰9号”之前要求落在海上回收平台上,位置精度要求达到10米以内;“新谢泼德”是落在地面,在设计上对着陆精度要求没有那么高。不过记者了解到,测试中“新谢泼德”的最终降落地点距发射台中心只有1.37米。

在着陆速度控制方面,专家认为蓝色起源公司做得非常成功。记者了解到,新谢泼德火箭在靠近地面时,8个“刹车装置”将其下降速度降至每小时622公里;而后火箭外部的鳍状装置帮助其调整姿态,速度降至每小时192公里;距离着陆点上空1500米时,火箭对准着陆点,发动机点火反冲,着陆架展开;到距离地面30米处,火箭速度已降至每小时7.1公里,最终安全着陆。

无论如何,两种火箭都实现了垂直返回软着陆。专家说,此前很多人认为不用降落伞而凭借发动机反推实现火箭回收是不可能的事,有人将其形容为“在狂风中树立一根扫帚”。如今两家公司都获得了成功,这是可回收火箭技术的重大突破,尤其对商业航天是巨大的鼓舞。

这项技术实现后,能大大节省航天发射的成本。据测算,对第一级火箭实现回收重复使用,能将发射费用节省80%;如果加上第二级,费用可节省98%

6海上回收

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2016117日,美国太空探索技术公司(SpaceX)成功发射了搭载一颗海洋观测卫星的“猎鹰9”火箭,但此行更受关注的任务——火箭第一级海上回收尝试再次以失败告终。

SpaceX“猎鹰9号”火箭海上着陆平台

SpaceX掌门人马斯克当日通过Twitter表示:“着陆速度正常,但着陆支架没有固定好,所以在着陆后翻倒了。”

此次回收失败意味着,SpaceX始终未能成功实现海上回收。倘若能在陆地和海上分别实现成功回收,就可以为该公司提供更多的低成本选择,并帮助马斯克最终实现登陆火星的目标。

SpaceX之前曾经两度尝试海上回收,均以失败而告终,还有一次则因为天气条件恶劣而叫停。

(海上回收)肯定比陆地回收难度更大,”马斯克发表推文称,“因为目标区域面积更小。”

7推迟发射

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2018-06-26,据美国媒体报道,美国太空探索技术公司SpaceX公司于当地时间24日宣布,暂时推迟原定当天发射的“猎鹰9号”火箭,该公司首席执行官未就推迟发射说明原因。美媒称,发射地将迎来大风暴。

致力于研发新一代可重复利用的火箭推进系统的SpaceX曾多次尝试一级火箭在大西洋的海上漂浮平台上着陆并回收,但火箭或直接坠入大海或爆炸损坏,多次失败。为提升地面回收的成功率,SpaceX于2015年12月使用了升级版火箭,并将着陆点从海洋转移到陆地,终于成功实现首次历史性回收。

SpaceX公司原定2018-06-26再次发射猎鹰9号火箭,并将输送SES-9通信卫星至预定轨道。该公司早前称,此次发射将再次尝试回收火箭,但预计未必能成功回收。

2018-06-26,该公司临时宣布再次推迟发射,并称虽然发射推迟,但火箭和飞船状态良好。

美国媒体报道称,该公司虽未就发射推迟说明原因,但目前火箭发射地的佛罗里达州即将迎来大风和龙卷风风暴。

8首次成功实现海上回收

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美国东部时间2016年4月8日(北京时间9),“猎鹰9”火箭搭载“龙”飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空。约10分钟后,飞船与火箭成功分离,进入预定轨道。

与以往发射一样,美国太空探索技术公司再次尝试把“猎鹰9”火箭第一级垂直降落在大西洋中一艘无人船上。尽管此前4次类似试验均告失败,但美国航天局的电视直播显示,此次火箭稳稳降落在这艘无人船上,而且与船正中心位置仅有很小偏差。

SpaceX在海上平台成功回收火箭的技术难度很大,好比暴风雨中将扫帚立在手掌上。海上平台的面积是50米×70米,火箭着陆时4个支架的展开半径有23米左右,准度上偏一点就失败了。而且一级火箭高46米,重心很高,要在风浪很大的平台上站稳真心不容易,着陆时速度必须降到0

9发生爆炸

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当地时间2018-06-26早上,SpaceX “猎鹰9号”火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地(Cape Canaveral Air Force Station)发射场爆炸。按照原计划,这颗火箭将在2018-06-26为Facebook发射首颗互联网卫星。

原定搭载猎鹰9号升空的 Amos-6 卫星

经SpaceX证实,火箭携带的Facebook Amos-6卫星已完全被摧毁。按原计划这颗卫星将在升空后升空,为撒哈拉沙漠以南的部分非洲地区提供互联网服务。

Facebook在2015年秋季宣布,将使用以色列航空工业公司制造的Amos-6卫星,为撒哈拉沙漠以南的部分非洲地区提供互联网服务。Amos-6卫星重约5吨,造价2亿美元。

虽然火箭爆炸所导致的震感强烈,且持续了几分钟时间,但SpaceX表示,此次爆炸并未造成人员伤亡。

佛州布雷沃德县(Brevard County)紧急响应管理办公室称,这次爆炸并未对公众造成任何威胁。

2016年11月,美国太空探索技术公司CEO马斯克表示,已经找到爆炸问题的根源,并在12月中旬重启火箭发射。

马斯克表示这次已经找到了问题的根源,之前火箭发射历史上从未出现过类似状况。导致“猎鹰9号”火箭在9月1日发生爆炸,是燃料加注系统意外的在二级火箭的氧气罐内产生了固氧,而固氧与氧气罐内的材料瓶发生反应,引发爆炸。这次爆炸也让美国太空探索技术公司的主要发射台受损,主要发射台恰好在肯尼迪航天中心的南部。

该公司目前为止拒绝透露发射台受损程度的细节。马斯克表示,在2016年的12月中旬计划重启发射火箭,不过他并未指明这次新的发射是在原来肯尼迪航天中心,使用新的发射台发射,还是到加州的范登堡空军基地的西海岸的发射场进行发射。据了解,此美国太空探索技术公司,还有大约70项发射任务没有完成,总价值超100亿美元。与此同时,美国宇航局11月4日曾公布,下一次向国际空间站运送物资的任务,将会使用联合发射同盟生产的阿特拉斯-5重型运载火箭,这样就可以在等待“猎鹰9号”火箭发射期间,额外的向空间站运送300公斤的物资。

10重返太空

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2018-06-26,在美国加利福尼亚州范登堡空军基地,“猎鹰9”火箭发射升空。

在经历2016年9月爆炸事件后,美国私企太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭14日重返太空,一箭十星,成功把铱星通讯公司首批卫星发射至目标轨道。此后,火箭第一级首次成功实现在太平洋中一艘无人船上软着陆。

当地时间14日上午9时54分(北京时间15日凌晨1时54分),搭载铱星通讯公司10颗卫星的“猎鹰9”火箭从加利福尼亚州范登堡空军基地发射升空。这是“猎鹰9”火箭自2016年8月成功把一颗日本通信卫星发射至目标轨道后,首次成功执行卫星发射任务。

约8分钟后,视频直播画面显示,火箭第一级成功降落在太平洋海上无人船上。这是太空探索技术公司首次在太平洋实现海上火箭回收,太空探索技术公司地面控制室传出经久不息的掌声和欢呼声。

“卫星已确认成功入轨,”该公司随后在推特账户上宣布。太空探索技术公司计划分7次为铱星通讯公司发射至少70颗卫星,此次发射的10颗卫星是铱星通讯公司下一代全球卫星计划IridiumNEXT的第一批。

11首发间谍卫星

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2018-06-26,美国太空探索技术公司(SpaceX)成功用“猎鹰9号”运载火箭完成一次发射,而这是该公司首次为美国军方发射绝密的间谍卫星。这次发射还曾遭遇推迟,原定于4月30日的发射任务被延迟一天。

据美国有线电视新闻网(CNN)报道,“猎鹰9号”火箭原定于当地时间4月30日上午7时左右搭载美国间谍卫星发射升空,但在发射前倒计时52秒时紧急喊停。对于紧急暂停发射任务,SpaceX首席机械设计工程师约翰·费德施皮尔在网络直播中称,由于第一级火箭助推传感器出现问题,公司团队经过谨慎评估,最后临时决定中止发射。

当地时间5月1日7时15分,SpaceX在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心成功完成本次发射任务。出于保密要求,美方专门将卫星发射过程中的直播切断了几分钟。

据《今日美国报》报道,SpaceX公司还在火箭发射9分钟后,对第一级火箭进行了成功回收。

据美媒披露,本次发射任务是SpaceX为美国军方实施的第一个国家安全任务,服务对象是美国五角大楼旗下的国家侦察局(NRO),SpaceX主要负责将一枚代号NROL-76的间谍卫星送入太空预定轨道。关于这枚高度机密的军事卫星的具体性能和轨道高度以及入轨后执行什么样的侦察任务,NRO和SpaceX均未透露细节。

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