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技术流怎么分析SN10首次成功软着陆?

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  北京呼风唤雨文化传媒有限公司

  

  北京时间2021年3月4日7时许,SpaceX星舰原型(代号SN10)在得克萨斯州博卡奇卡(Boca Chica)成功进行了高空飞行测试,这是SpaceX星舰原型第三次挑战10公里级高度,也是首次成功软着陆,具有重要的里程碑意义。虽然SN10在落地后不久着火爆炸倒地,但这已经不太重要了。

  

  星舰原型SN10从高空飞回稳稳落地

  星舰首先飞行到最高点,随后进行姿态调整,使腹部冲下,借助腹部增大与空气接触面积,加大空气对星舰的阻力,然后星舰徐徐向地面飘落,在距离地面一定高度时,发动机再次点燃,使星舰重新直立起来,靠发动机的反推成功进行了软着陆。

  联想之前SN8和SN9的惊天一立,以及SN8失利后SpaceX官方申明的甲烷 “Header Tank”增压不足改为氦气增压。“Header Tank”引起了很多关注。那么,“Header Tank”的作用和技术源流又如何呢?

  

  

  图 SN8翻身

  

  图 SN5原理图

  在原理图上,“Header Tank”即图中顶部的小氧箱和甲烷主贮箱底部的小贮箱。其中小氧箱还可以叫“Header Tank”,但小甲烷箱明明在贮箱底部,为何不叫“Bottom Tank”呢

  

  

  图 各种“Header Tank”外形

  Header Tank名称的由来和技术演变

  +

  2016年第67届国际宇航联大会上,Musk在《making_life_multiplanetary》中抛出星际运输系统(ITS),其中每个推进剂主贮箱的顶部有两个球形贮箱,称为“header tank”,这两个都是名副其实的“顶部贮箱”

  

  图 2016年星船构型

  2017年,ITS构型变了,箱子已经由主贮箱顶部变成了全部位于甲烷主贮箱内。此时“Header Tank”已经失去“顶部贮箱”的意思,仅仅保留了这个名字。SN测试时,箱子位置又一次变了,名字仍然不变。

  

  图 2017年星船构型

  Header Tank的作用和技术源流

  +

  Header tank有什么作用呢?

  2017年国际宇航联大会SpaceX放出来的文件将箱子作用解释为:着陆时,火箭方向将显著改变,但推进剂不能绕着箱子晃动,因此必须由“header tank”为发动机供应推进剂

  Musk也曾在网上进行了解释,其装载着陆推进剂,作用包括:

  取消推进剂沉底和晃动抑制需求;

  降低对贮箱增压需求;

  减少推进剂蒸发量;

  配平火箭质心。

  

  沉底

  液体火箭的推进剂很容易流入发动机,但也容易断流。如航天器在太空中失重或大角度机动时,贮箱内推进剂会因失重或晃动而离开输送管口,文献《Numerical analysis of free-surface flows undervarious conditions in acceleration》中给出了试验和分析计算的动画。

  

  

  图 流体晃动动画

  火箭地面点火直至主动段飞行时一直有过载,只需要普通的防晃、防漩和防塌装置,即可保证推进剂不断流,这是最常见的输送方式,这种贮箱称为直排式贮箱。

  对于空中失重状态下启动的火箭/上面级、经历滑行和大机动的上面级、长期在轨卫星,为保证推进剂顺利进入发动机,要么采用额外的沉底发动机创造一种过载环境,要么在贮箱上想办法,在贮箱内构造推进剂管理装置。

  文献《卫星用表面张力贮箱的设计、应用及其发展》中总结了如下装置。在火箭基础级大多采用直排式+额外推力沉底方案,在火箭上面级中一般采用隔膜式贮箱、表面张力贮箱等

  

  图 推进剂管理贮箱样式

  以Falcon 9为例,一级火箭发动机会经历三次点火过程:Launch(9台点火)、Boostback Burn(3台点火)和Entry Burn(1台点火)。

  

  图 Falcon9发射和返回过程

  1)Launch时,火箭过载为1,推进剂自然沉底,点火就走;

  2)Boostback Burn时,火箭在60km左右的高空,处于失重状态,这时就需要推进剂管理了。笔者没有查到Falcon 9点火前干了什么,猜测采用RCS正推沉底。如下图,在两片栅格翼中间的凸起物就是RCS喷口,其中有一个朝下喷口可以产生沉底推力;

  

  图 F9级间段图

  3)Entry Burn阶段,火箭处在5km高度,这时由于箭体/栅格翼阻力,箭体为正过载(快速减速),推进剂自然沉底

  气动减速时自带沉底,这种调动外界事物的能力在SpaceX各种研制中被一次次用到,如返回时使用的栅格翼,与其消耗推进剂自己憋出控制力,还不如用栅格翼引出控制力。

  气动大法好!既然尝到了甜头,自然要再深挖下去。

  最近的几次Falcon 9海上回收,就已经取消了Boostback Burn环节,直接用气动减速,照样能将火箭速度减下来,直接一次Entry Burn就可以返回了。

  这个过程中箭体会被大幅气动加热,但好处多多,包括发动机少点火一次,以及大量节省推进剂。如之前Boostback Burn点火28秒,按100%推力时320kg流量计算,3台发动机点火需要消耗近27吨推进剂,现在节省下来了。

  既然能气动减速,为什么要动力减速?星船也要用!只是星船飞行速度太快了,远非Falcon9一子级可比,靠栅格翼那样的“小耳朵”减速根本不够,那就换成“肚皮”趴着减速

  于是就有了SN8/9的趴活和惊天一立。

  问题也伴随而至,趴着时点火,推进剂横流,相当于横向失重,怎么沉底?

  兜兜转转又回到了起点,可惜由于星船的巨大规模,对沉底力的需求太大了,原Falcon 9的RCS方案已不堪用。怎么解决?

  如果说栅格翼的技术源流是前苏联(引用),现在碰到沉底的新问题,仍可以回到前苏联寻找智慧。

  杨格尔曾经采用了第一性思考,给出了简单的不能再简单的解决措施:满箱时,推进剂无法飘起来;小直径贮箱下,推进剂也晃不起来。

  这个第一性思考50年前被用在了宇宙3M火箭(1967年首飞),这个由R-14导弹(差点进入古巴)增加二子级改造而来的小型运载火箭。

  如下图,宇宙3M火箭二级外侧的圆柱形贮箱,其内部装载过氧化氢推进剂,当发动机主机关机时,此套系统(称为低推力系统)工作,过氧化氢经过独立的燃气发生器,之后经过燃气阀门和喷管(与二级微调发动机共用),产生推力。它一直工作到主机第二次启动,在此期间保证二子级姿态控制稳定、主机再次启动时的沉底。

  

  图 宇宙3M火箭

  

  图 宇宙3M火箭低推力系统贮箱局部图

  这可以视为今天星船Header Tank推进剂输送的源流,具体可参见下图动画。

  

  视频 星箭小贮箱输送

  在使用时,发动机需要将输送来源从主贮箱切换到“Header Tank”,必须得有一个切换阀门。

  

  图 甲烷”Header Tank”实物图

  根据上图实物照片,笔者猜测甲烷Header Tank可能方案包括但不限于:

  图中每个开口处安装一个常开阀门,使用Header Tank前关闭所有阀门(如下图左),但这种方案阀门太多;

  将每个出口连一根管子,最后汇总,用一个阀门即可,阀门仍为常开,使用Header Tank前关闭(如下图右);

  可以采用气动阀,或更简单阀门,如类似抽油烟机止回阀,从一侧进液打开,从反侧进液则关闭。

  

  图 Header Tank切换阀门设想

  

  图 抽油烟机止回阀

  降低增压需求

  发动机二次启动,除了推进剂沉底外,还有入口压力需求,入口压力等于贮箱内气体压力+液柱压力-流损。

  在火箭主动段飞行过程中,由于过载,推进剂自身可以形成一定液柱压力,降低对箱压需求。二次启动时,火箭处于失重状态,这个液柱压力消失了,需要通过气体压力来补足。发动机工作产生推力后,液柱压力又自然产生了。

  为了满足二次启动时那么一小下,需要补充压力相当可观。

  10米高液氧液柱,5g过载下能产生0.57MPa液柱压力。这个压力如果完全由气体额外提供,以SN氧箱为例,如气体温度为300K,则对应密度为7.3kg/m^3,氧箱容积800m^3,需要补充5.85吨氧气。

  仅仅是为了启动时那么零点几秒,就需要增加5.85吨的气体死重(以及更多的贮箱死重),完全不可接受。

  Header Tank的引入非常简单地解决了这个问题,此时不需要增压整个贮箱,仅需增压Header Tank。液氧Header Tank容积15m^3,自生增压气体增加量降低到100kg,如改为氦气仅增加13.7kg。

  SN8落地时失败原因定位到甲烷Header Tank增压不足,SpaceX增加了氦气辅助增压方案,由于问题被隔离在了Header Tank里,改进较容易实施

  使用这个方案还有一个意外之喜:充分利用输送管内液体。

  推进剂快用到输送管时,将由于箱内晃动幅度大或出流故障形成断流,或由于液柱高度快速下降,液柱压力同步快速下降导致增压不足,很多火箭子级关机时输送管内还剩余大量推进剂

  以德尔塔4H为例,液氧输送管路内部安装发动机耗尽关机传感器。传感器位置距离发动机入口很远(>27.1m),假设管路直径300mm,则管路内推进剂有2.2吨,除非传感器敏感到耗尽信号后再延时3秒关机,否则管路内始终还要留下推进剂死重。


  图 Delta 4H管路和耗尽关机传感器安装位置示意图

  而采用Header Tank,完成可以通过提高增压压力,充分利用输送管内推进剂。

  减少推进剂蒸发

  星船采用在轨加注方案,需要在轨较长时间,双低温推进剂蒸发量较大。文献《Centaur Upperstage Applicability for Several-DayMission Durations with Minor Insulation Modifications》中统计了半人马座任务的在轨蒸发量,蒸发量不算小。

  

  图 大力神4-半人马座在轨蒸发量数据

  半人马座上面级发射状态很多,采用大力神4火箭发射时将上面级包在整流罩内的,因此可采用太空防热能力更好的多层绝热材料,但即使这样推进剂蒸发量也不小。后续星船要做到主贮箱大规模在轨补加,蒸发量控制难度很大。

  

  图 半人马座的绝热包覆

  

  图 大力神4火箭

  好在返回推进剂装在了Header Tank,推进剂多气枕空间少,推进剂一蒸发箱压立刻升高,推进剂沸点变高,推进剂蒸发更容易达到平衡。只要推进剂温度能满足发动机需求,比起有很大气枕容积的主贮箱,Header Tank蒸发量就要少得多。

  配平火箭质心

  星船几次方案改变,最后小氧箱仍放在了顶部,Musk解释为如放在其他位置,水平返回时重量和平衡将向后偏远,在头部上放一个单独的贮箱可以立即解决很多问题。

  这种设计同样可在苏联火箭/导弹设计中见到,下图为杨格尔的R-12导弹(曾被拉入古巴)的剖面图,其中蓝色部分为氧箱,氧箱由中间板隔开了,在飞行过程中,首先消耗下层单元中的氧化剂以调节质心,提高飞行稳定性

  

  图 R-12导弹剖面图

  红色帝国灵魂的传承

  +

  除了上述的小贮箱、配平火箭质心外,在星船上还可以找到多个苏联导弹设计的影子。

  如下面SN10的图中,一级重箭尾部扩张段(图中最左下角),也可以在R-12导弹上找到影子(R-12导弹由于发动机太大而无法容纳从R-5继承的直径,因此增加了一个凸起的圆锥形的尾部,以容纳发动机)。

  

  图 SN10飞行剖面

  

  图 R-12导弹凸出尾部

  还有长得像小蝌蚪的液氧Header Tank,可在科罗廖夫的R-9A导弹上找到痕迹,如下图R-9A的二级燃箱(蓝色为氧化剂、黄色为燃料)。

  

  图 液氧Header Tank外形

  图 R-9A导弹

  

  图 重箭尾视图

  

  图 不锈钢米格25战斗机

  不论怎样,技术的传承和发展,都是激动人心的。

  参 考 文 献

  1.SpaceX: Making Life Multiplanetary, 2016.

  2.SpaceX: Making Life Multiplanetary, 2017.

  3.SpaceX: Making Life Multiplanetary Transcript, 2017.

  4.https://space.stackexchange.com/questions/18768/what-is-the-spherical-tank-in-this-drawing-of-the-bfs

  5.Himeno T , Negishi H , Nonaka S , et al.Numerical analysis of free-surface flows under various conditions inacceleration (improvement of CIP-LSM: CIP-based level set & MARS)[J]. NihonKikai Gakkai Ronbunshu, B Hen/Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers, Part B, 2010, 76(765):778-788. (https://www.jsme-fed.org/papertech-e/2013_11/001.html)

  6.魏延明. 卫星用表面张力贮箱的设计、应用及其发展[J]. 空间控制技术与应用, 2003(2):6-17.

  7.http://www.russianspaceweb.com/r12.html

  8.JSD Kruif,BF Kutter,Centaur Upperstage Applicability for Several-Day Mission Durations with MinorInsulation Modifications, AIAA 2007-5845.

  END

  本文转载自“腾讯太空”,原标题《你又见证马斯克创造历史了!SpaceX星舰从万米高空飘落稳稳站住》,文 | 乔辉;以及“ 理念世界的影子”,原标题《洞穴之外|星船“Header Tank”作用及技术源流分析——红色帝国灵魂的传承》,文 | 洞穴之外

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