越来越多的发射公司将他们的未来押注在可重用性上

文摘   2024-11-17 07:04   上海  

几乎没有人认为 SpaceX 会成功,至少在第一次尝试时不会。

10月13日,星际飞船(Starship)从德克萨斯州博卡奇卡(Boca Chica)发射升空,在第五次综合试飞中,超重型助推器的目标是飞回发射塔,在那里,巨大的机械臂(被称为“筷子”)将抓住它。很多事情都可能出错,大多数人都预料到了会失败,就像 SpaceX 十年前早期尝试让猎鹰 9 号助推器着陆一样。

不过,公司内部还是有信心的。在发射前四天举行的美国国家科学院委员会会议上,SpaceX 负责制造和飞行可靠性的副总裁比尔·格斯滕迈尔 (Bill Gerstenmaier) 指出,在 6 月的上一次试飞中,超重型助推器以精确的精度“着陆”——距离墨西哥湾的目标不到半厘米。“所以,我们认为我们有一个合理的机会回到塔上。”

这种信心是有道理的。在 10 月 13 日的飞行中,Super Heavy 助推器飞回了几分钟前升空的同一个发射塔。筷子移动到位,托住助推器。接球奏效了。

这一成就对于 SpaceX 快速重复使用 Starship 的计划至关重要。在公司的长期愿景中,Super Heavy 助推器将返回发射台,并连接一个新的 Starship 上级,并为几天甚至几小时后的下一次发射做好准备。

这一成功说明了太空访问的未来:不仅仅是 SpaceX 对 Starship 的独特方法,还有快速、频繁地重复使用飞行器的更广阔的愿景。SpaceX 已经用猎鹰 9 号证明了这一点,其助推器已被重复使用 20 多次,但 Starship 的目标是进一步提高可重用性。其他公司和国家/地区正在意识到,要跟上 SpaceX 的步伐,他们也必须快速实现可重用性。

“可重用性是强制性的”

在最近从米兰到山景城的会议上,航天机构和公司的领导人明确表示,未来的太空访问将不依赖于消耗性的运载火箭,而是那些至少部分可重复使用的运载火箭。

“我认为你们都意识到,发射器的可重复使用性是强制性的,”印度航天局 ISRO 主席 S. Somanath 在最近一次星际飞船飞行后第二天在米兰举行的国际宇航大会 (IAC) 的机构负责人全体会议上说。

他解释说,推动可重用性是由降低发射成本的需求驱动的。“我们必须负担得起进入太空的机会,才能扩大太空计划。”

在他发表上述评论的一个月前,印度政府正式批准了印度空间研究组织(ISRO)的下一代运载火箭(NGLV)项目,以开发一种可重复使用的火箭。该火箭的设计载重达 30 吨,是印度目前最大的火箭 LVM3 容量的三倍,其成本仅比 LVM3 高 50%。

他说,节省的成本将来自可重复使用的助推器,该助推器带有使用液氧和甲烷推进剂的可节流发动机,以实现动力着陆。发动机开发将推动 NGLV 计划,预计在大约六年内进行首次试飞。

接下来的一周,在加利福尼亚州山景城举行的卫星创新会议上,一位行业高管对可重用性的重要性提出了同样的观点。

“如果你没有可重复使用的运载火箭,我认为你作为一家发射公司就没有未来,”火箭实验室首席财务官亚当·斯派斯 (Adam Spice) 在与其他发射高管的小组讨论中说。“消耗型火箭真的没有路径。”

Rocket Lab 已经在其 Electron 火箭上试验了可重用性,回收级并对其进行了测试。虽然它还没有重新发射完整的 Electron 助推器,但它确实重用了一个发动机。然而,可重复使用性是该公司更大的 Neutron 火箭的核心,预计将于 2025 年首次发射。

其他人也在走类似的道路,开发可重复使用的第一级,如猎鹰 9 号。其中包括蓝色起源(Blue Origin),其更大的新格伦火箭计划于年底进行首次发射。该公司的目标是在第一次尝试时将第一级降落在海洋中的船上。

“没有人在第一次尝试时就获得了可重复使用的助推器。然而,我们正在努力实现它,并谦虚地提交对实现它有很大的信心,“蓝色起源首席执行官戴夫·林普 (Dave Limp) 在 9 月公布第一个 New Glenn 助推器名称的社交媒体帖子中说:”所以你告诉我有机会。

“对于第一次发射,我有两个主要目标:进入轨道并着陆助推器,”蓝色起源 New Glenn 高级副总裁 Jarrett Jones 在 9 月中旬的世界太空商业周小组讨论中说。这非常关键,因为我们必须把这个点拍下来,然后获得我们的可重用性,然后开始评估。我们不能等到 2025 年。

Stoke Space 更进一步,设计了一种两级飞行器,其中两级都旨在重复使用,类似于 SpaceX 对 Starship 的最终愿景。

“如果你看一下 SpaceX 的飞行速率限制器,”斯托克机场业务发展副总裁 Devon Papandrew 说,“它是第二级的生产。虽然 SpaceX 可以重复使用猎鹰 9 号助推器20次或更多次,但每次发射仍然需要新的第二级。

“我们的论点——或者至少是你可以与 SpaceX 长期竞争的方式之一——是完全可重用性,”他在卫星创新小组上说。这种方法将太空运输从高制造需求转变为运营和物流挑战。“你要把整辆车拿回来,改装它,翻新它,给它加油,然后再次飞行。”

欧洲可重用性梦想

在欧洲,对 Starship 的反应好坏参半。欧洲航天局局长约瑟夫·阿施巴赫 (Josef Aschbacher) 在 IAC 上承认了最新星际飞船试飞的技术成就,他说:“然后我必须思考,这对欧洲意味着什么,看看景观和生态系统会发生什么变化,以及我们需要做什么。

欧洲航天工业的一些人认为 Starship 表明他们与 SpaceX 相比落后了多少。德国小型运载火箭开发商奥格斯堡火箭工厂在 Starship 飞行后的第二天表示,“它表明并证实欧洲已经完全失去了联系。它还能赶上吗?没有机会。至少目前的情况不是这样。

批评者指出,欧洲的阿丽亚娜 6 号是在 SpaceX 展示可重复使用的可行性和好处之前开发的,并且没有计划改装火箭以供重复使用。然而,欧洲的私人努力正在兴起,以开发可重复使用的发射器。例如,从 ArianeGroup 分离出来的初创公司 MaiaSpace 正在开发一种小型运载火箭,该运载火箭带有用于垂直着陆和重复使用的助推器,类似于 SpaceX 的猎鹰 9 号。

另一家具有更宏大的可重用性雄心的欧洲公司是 PLD Space。在 10 月 7 日纪念 Miura 1 亚轨道发射一周年的活动上,这家西班牙初创公司概述了长达十年的飞行器项目路线图,首先是其 Miura 5 小型运载火箭。

PLD Space 旨在回收和再利用 Miura 5 的第一阶段。最初,该公司考虑使用降落伞和海洋飞溅——与 Rocket Lab 对其 Electron 所采用的方法相同——但现在计划寻求类似于猎鹰 9 号的推进着陆。

“如果你看到波音的飞机或空客的飞机,着陆的方式是一样的,”PLD Space 首席执行官劳尔·托雷斯 (Raúl Torres) 在接受采访时说。“我们得出的结论是,使舞台可重复使用的唯一方法是以 SpaceX 或 Blue Origin 正在做的方式将其恢复。”

Miura 5 计划于 2025 年从法属圭亚那开始发射,可重复使用性将逐步纳入,不早于 2028 年飞行重复使用的助推器。PLD Space 预计可重复使用性将使火箭的盈利能力翻倍,但没有透露对有效载荷性能的影响。

PLD Space 计划将可重复使用性扩展到一系列名为 Miura Next 的大型火箭。基准模型将是带有助推器的中型火箭,能够降落在发射场或下射程飞船上。一个变体 Miura Next Heavy 将增加两个,类似于 Falcon Heavy,而 Miura Next Super Heavy 将增加两个。

虽然 Miura Next 飞行器可以以消耗模式飞行以最大限度地提高其有效载荷能力,但该公司计划在大多数任务中回收助推器,将侧面助推器返回发射场。在其活动中,PLD Space 展示了一个动画,展示了 Miura Next Super Heavy 火箭的四个侧面助推器同时着陆。

Torres 说,可重复使用性对于公司实现环境可持续性和降低成本的目标至关重要。“如果我们不能把它带回来,”他指着四次同时着陆的图像说,“这张图像只是一个梦想。

ULA 变得聪明

United Launch Alliance 采用了不同的可重用性方法。该公司辩称,其 Vulcan 火箭的设计——一种“高能”助推器,在级分离之前大部分时间飞行到轨道——使其无法着陆。相反,它提供了一种名为 Sensible Modular Autonomous Return Technology (SMART) 的替代方案,该技术将仅回收发动机部分以供重复使用。它认为,这在技术上更可行,同时回收助推器中最有价值的部分。

在努力将 Vulcan 推向发射台时,该公司并没有过多强调 SMART 重用。然而,随着 Vulcan 最终飞行,ULA 花了更多时间讨论其恢复和再利用 Vulcan 助推器发动机部分的计划。

在 Vulcan 于 10 月 4 日发布 Cert-2 之前的简报中,ULA 首席执行官 Tory Bruno 报告了 SMART 再利用的进展,包括今年年初对系统的初步设计审查。该项目的一个关键要素是一个充气式隔热罩,旨在使发动机部分在分离后从高超音速减速。这项技术建立在美国宇航局的充气减速器近地轨道飞行测试 (LOFTID) 的基础上,该测试在 2022 年 11 月的 Atlas 发射期间成功展示了较小规模的版本。

Bruno 表示,ULA 有望在今年年底前完成对回收系统的关键设计审查。“然后我们开始制造飞行硬件,”他说。“在我们飞行之前,对实际飞行硬件的测试仍然会更多,但我想说,我们可能还需要一到两年的时间才能进行首飞。”

他说,该公司将采取渐进式方法进行发动机回收和再利用。第一个测试是确保发动机部分能够与增压器干净地分离。只有这样,ULA 才会测试充气减速器,Bruno 指出,在降落伞辅助溅落后,它也将用作“出色的筏子”。ULA 将与 Blue Origin 合作检查回收的 BE-4 发动机,尽管它们不会立即重复使用。

“我们可能会这样做几次,直到我们感到非常舒服,”他在谈到那些恢复测试时说,然后再重新使用发动机。他说,最终,该公司将在卡纳维拉尔角进行发动机翻新和重新安装工作。“这是很长的路要走,我不知道什么时候会发生。”

减少重用

虽然发射行业正迅速趋向于至少部分重用,但并不是每个人都加入了可重用性的行列。

“我不认为可重复使用本身就等于生存,”意大利运载火箭公司Avio的首席执行官朱利奥·兰佐(Giulio Ranzo)在卫星创新会议上说。他的公司生产 Vega C,这是一种小型固体燃料火箭,没有计划加入可重用性。

他认为,推动可重用性的一个关键因素是它实现的高发布节奏。他指出,这对 SpaceX 来说至关重要,因为它在美国政府拥有庞大的客户群,并且拥有自己的 Starlink 星座。“如果你生活在世界上没有这样一个主要客户的地方,我不知道你会怎么做,”他说。

他指出,Avio 正在开发技术,例如使用液氧和甲烷推进剂的火箭发动机,这些技术可以支持未来的可重复使用飞行器。“我认为,需要根据你实际可以接触到的市场规模来调整节奏,”他说,“否则,你几乎不会对它做任何事情。

Rocket Lab 最初追求可重用性,以提高 Electron 的发射速度,而无需扩建其工厂。然而,需求并未达到预期:该公司曾预计今年将发射 22 次 Electron,但截至 10 月只完成了 11 次。

“我们仍在研究推出可重复使用助推器的时间,”Rocket Lab 的首席财务官 Spice 在谈到该公司的 Electron 计划时说。他补充说,该公司正在优先考虑 Neutron 的工作。

可重用性甚至可以在 SpaceX 退居二线。在 Starship 试飞后的第二天,该公司发射了一枚猎鹰重型火箭,搭载了 NASA 的木卫二快船任务。那艘前往木星的航天器的要求意味着 SpaceX 用完了猎鹰重型火箭上的所有三个助推器核心,以最大限度地提高性能。然而,这越来越成为规则的例外。

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