迈向载人航天新历史!SpaceX“载人版龙飞船”完成空中逃逸试验

北京时间1月19日晚11点30分,SpaceX公司猎鹰9号火箭发射升空,随后成功进行“载人版龙飞船”在空中逃逸试验。这意味着SpaceX距离首次发射载人猎鹰9号火箭的目标又近了一步,届时SpaceX将成为首个进行载人发射的私营航天企业,马斯克曾经许下的火星殖民计划又近了一步。

火箭空中解体是为计划试飞的一部分,旨在验证SpaceX应对火箭灾难性事故的能力。这项测试名为飞行中止测试,是SpaceX满足NASA商业载人项目的最后重要里程碑之一。而3D打印在关键技术层面上成为坚固且高性能的发动机零件的有力保障。

SpaceX_Spaceship来源:SpaceX

block 成功可预测

NASA的项目旨在开发新型美国制造的航天器,重新将NASA宇航员送入太空。过去六年来,SpaceX一直在为该项目开发一艘名为“载人版龙飞船(Dragon2)”的航天器,该航天器由猎鹰9号发射,可以将NASA宇航员送往国际空间站,或接回地球。作为开发过程的一部分,SpaceX必须进行多次试验,以证明其航天器不仅安全,也有能力完成飞行任务。

而事实证明,SpaceX不辱使命,成功完成了飞行中止测试。而在这可预测的成功背后,3D打印技术扮演了关键的角色。

SpaceX_Spaceship_2来源:SpaceX

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中谈到的,3D打印技术已成为航天制造机构抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。国际上这些商业化航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。关于3D打印对火箭制造行业的革新作用, SpaceX首席设计师兼首席执行官马斯克有着精辟的观点:通过3D打印,可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。

Video cover_SpaceX_Elon Musk视频:马斯克讲解3D打印对航天制造的颠覆性

通过3D打印来创建高性能的火箭零件,SpaceX正在推动增材制造的极限,以期使Falcon 9火箭、Dragon飞船以及Starship火箭比以往任何时候都更加可靠,强大和高效。

SpaceX于2013年就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机引擎室,使用了镍铬高温合金材料。与传统的发动机制造技术相比,使用增材制造不仅能够显著地缩短火箭发动机的交货期和并降低制造成本,而相比传统制造发动机的成本,而且可以实现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。这是一种非常复杂的发动机,其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。EOS能够打印非常高强度的先进合金,是创造SuperDraco发动机的关键。

Part_EOS_SpaceX_SuperDracoEOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机引擎室

SuperDraco发动机为Dragon龙飞船的发射逃生系统提供了动力,并使该运载器能够以精确的精度推进降落在地球上(并可能在未来的另一个星球上降落)。通过选区激光熔化金属3D打印工艺制造,镍铬高温合金材料提供了高强度、韧性,及可靠性。

而发射所用的Falcon 9火箭具有3D打印的氧化剂阀体(MOV)主体,该阀门在低温温度和高振动条件下成功运行。与传统的铸造零件相比,3D打印用于制造火箭氧化剂阀体具有卓越的强度,延展性和抗断裂性,并且材料特性的可变性较低。与以月为单位的典型铸造周期相比,MOV阀体的3D打印时间不到两天。此后,该阀门的广泛测试程序包括一系列严格的发动机点火,组件级资格测试和材料测试,从而使3D打印的MOV阀体可以在所有Falcon 9火箭上使用。

Part_SpaceX_Spaceship图片:SpaceX 3D打印的氧化剂阀体

根据马斯克所述,登陆火星需要两大关键:“BFR超级火箭”和“BFS超级飞船”。火箭将飞船送出地球后,会像猎鹰9号火箭一样返回地球,留飞船在外太空等待。

援引“量子位”的报道,1分钟24秒左右,火箭速度超过1600公里/小时,引擎熄火,太空舱上的八个推进器同时点火,并达到最大推力,太空舱弹射而出。

SpaceX_Spaceship_3

而猎鹰9号,在向下坠落的过程中,完成了历史使命——按计划爆炸。

SpaceX_Spaceship_4

2分25秒后,太空舱与推进器分离,呈自由落体状向大西洋坠落。

SpaceX_Spaceship_5

4分45秒后,两个降落伞展开:

SpaceX_Spaceship_6

5分36秒,4个降落伞抛出,20秒后完全展开。

 

SpaceX_Spaceship_6

9分02秒之后,太空舱完美落到大西洋中。

SpaceX_Spaceship_7

根据马斯克,飞船飞向火星的过程中,会展开太阳能电池板产生200kW源源不断的电能,速度可达6.2万英里/小时,表面温度将升至1650度,随后开启反冲引擎,降落在火星表面,完成火星登陆任务。

为了把更多的人送上火星,必须得努力降低成本。除了实现火箭的重复使用,在马斯克充满野心的廉价航天版图中,载人飞船的可重复使用也是十分重要的一环。于是,马斯克又打起了逃逸塔的主意。

要知道,为了保证航天人员的人身安全,逃逸塔是标配,但就实际情况来看,其使用频率极低,不得不在每次发射中都丢掉一个逃逸塔,浪费成本。

于是,马斯克再一次选择不走寻常路,做出了一系列重大改变。要实现重复使用,SpaceX 的载人龙飞船第一步就是舍弃逃逸塔,在飞船四周配备了 8 台 SuperDraco 发动机,实现了“自带逃逸系统”,在逃逸甚至是返回落地时可以随时启动。

其中每台 SuperDraco 发动机都可产生 1 万 5 千磅的推力。8 台 SuperDraco 同时点火产生的推力可在 1.2 秒内将飞船从 0 加速至 100 英里/小时,最高速度可达到 345 英里/小时。

与此同时,载人龙飞船配备了可更换隔热罩。其他飞船在返程进入大气层时,必须借助隔热罩摩擦减速和烧蚀降温,导致飞船无法重新使用;而载人龙飞船则重新设计了飞船隔热罩,实现了模块化更换,为飞船重复使用打下基础。

此外,为了降低成本,载人龙飞船还通过材料技术上的突破,让飞船自己在大气中飞行时具备足够的保护能力,摆脱了对整流罩的依赖。

Model X图片:特斯拉Model X成为在SpaceX任务中运输NASA宇航员的新型官方交通工具

而作为掌管SpaceX和特斯拉两家公司的马斯克,没有忘记将特斯拉与SpaceX的品牌形象作出巧妙的连接。在此次飞行中止测试的彩排环节,特斯拉Model X也取代了NASA以往的交通巴士,成为SpaceX任务中运输NASA宇航员的新型官方交通工具。

除了北京时间1月19日的逃逸试验,1月7日,马斯克创办的SpaceX用一枚第四次重复使用芯级的猎鹰9号火箭,成功将第三批星链(Starlink)计划的60颗宽带通信卫星送进了太空,加上此前两次发射的120颗星链卫星,马斯克名下的在轨卫星数量已经约有180颗,成为在太空中拥有最大星座的人。

资料来源:DeepTech深科技、量子位、新浪科技、3D科学谷等

白皮书下载,加入3D科学谷产业链QQ群:529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载,长期转载授权请留言

分享:

你可能也喜欢...

发表评论