SpaceX「行星際運輸系統」的演變（三）

07-22

主頁菌說

隨著這篇萬字長文內容的深入，校對和配圖任務愈加繁重，所以推出的晚了一些，但從這期起，ITS的龐大架構和更多設計細節逐步暴露出來。NSF論壇對於ITS的分析和猜測也與SpaceX的公開版本越來越像，證明兩者的設計思路是基本一致的。雖然未來這套方案仍會如獵鷹9一樣不停迭代，但是其思路的新穎性還是不由得使被傳統載人登火方案束縛的我們眼前一亮。

原作者Phillip Gaynor，Dixon通譯全文，FP校對，跆拳道大灰狼排版配圖，今天是第三期。

The Evolution of the Interplanetary Transport System

行星際運輸系統的演化

By Phillip Gaynor

（第三期）

每一期都要搞一個鎮樓圖是不是？（惟願此圖有生之年能夠成真）

首先重新澄清幾個名詞：

MCT：Mars Colonial Transporter，這是SpaceX火星任務架構最早的名稱，在去年9月正式公布之前，這一直都是最通用的叫法。

ITS：Interplanetary Transport System，這是SpaceX在去年9月正式公布後對整個運輸系統的新名稱，改名的主要目的是為了表達這套系統不止能夠前往火星，也可以前往太陽系的其它星球。

MCT飛船：也就是現在的ITS飛船，指的是SpaceX設計的能夠前往火星的移民飛船。

BFR：Big Falcon Rocket，這是在MCT時代的叫法，後來改名叫ITS launch vehicle，指的是將MCT飛船送入軌道的火箭部分。

加油船：一般稱之為Tanker，專門為MCT飛船進行在軌加註的一種飛船，其實它只是MCT飛船貨運版的一種。

正文開始：

雖然CRS-7爆炸事故暫時中止了獵鷹9火箭的發射，但是SpaceX繼續在「猛禽」發動機的研發中取得新的進展，燃氣發生器在同一個月進行了全推力測試。到了2015年8月，馬斯克正式宣布猛禽的液氧：甲烷為混合比為3.8：1。而關於MCT最終設計的辯論在2015年10月基本結束， SpaceX對NSF正式透露了比以前更加詳細的計劃。（翻譯君：果斷親兒子= =）

2015年6月在斯坦尼斯進行的「猛禽」富氧預燃室噴注器測試

（"full-power test of the oxygen-rich preburner component"）

SpaceX的計劃是火箭芯級直徑12或15米（這已經是世界最最粗了），整個BFR為兩級完全可重複使用（請注意是完全可重複使用的），起飛重量高達5000到6000噸，236噸的預計近地軌道運力是人類已有火箭霸主土星V號的兩倍。除此之外，相關文件顯示，為了湊齊MCT飛船前往火星的燃料，SpaceX計劃在停泊軌道為出發去火星的MCT飛船進行3-5次在軌加註。（主頁君註：多次大規模低溫燃料在軌加註，航天史上尚無先例，同時也是目前這個計劃的致命問題所在，因為3次甚至更多的在軌加註會面臨複雜的發射協調問題，1-2次是一個合理範圍，所以我可以斷言新版的ITS計劃中一定會想辦法縮減在軌加註的次數或採取替代辦法，立帖為證）

接下來，在滿載貨物與100名殖民者或船員的情況下，進行3至5個月的深空飛行來前往火星。一旦到達火星，它將進入火星大氣並通過大氣阻力和發動機的反向推進來組合減速。早期的計劃要求建立一個初始的火星基地（科研前哨站），接下來通過著陸10艘類似的太空船，並使用火星起重機和工程機器人來啟動初步的返程推進劑生產線。

未來的火星表面，圖片來源見水印

基地和推進劑生產線的能源將由小型核反應堆和太陽能電池板陣列供應。計劃要求派遣至少10名殖民者和船員到火表進行最初的載人任務，以確保火星基地能夠正常運轉。然後，MCT飛船將在每個窗口期返回地球，以便可以在地球上重新整修，進一步裝載貨物，並準備下一個窗口的發射。

雖然這個計劃類似於祖布林博士的「火星直擊」，但SpaceX計劃的特點是有在軌加註的環節，祖布林的計劃中不僅沒有，而且他本人還極端厭惡在軌加註（「火星直擊」顧名思義，直奔火星，不在地球軌道做任何停留）。

「火星直擊」的思路很明確，最小化發射質量，直奔火星，回來的問題交給ISRU

之所以有如此大的區別，就在於因為SpaceX計劃要求整個運載系統都是完全可復用的。這就使得SpaceX的計劃中不得不多出來一個「在軌加註」環節，而在軌加註所使用的飛船（英文名為Tanker，我們簡稱為「加油船」）和MCT飛船採用相同的、可通用的一級火箭。發動機數量如同Vorontsov的團隊預測的那樣：它將擁有27款猛禽發動機，與SpaceX即將推出的重型獵鷹（Falcon Heavy）運載火箭相匹配。（後來由於猛禽降低推力而定格到42台）

每次審視SpaceX的未來火箭時，都有一種N1後繼有人的感覺

這是自前蘇聯使用30台NK-15發動機的N-1火箭之後發動機數量最多的火箭。僅推進劑質量就比整個土星V或N-1運載火箭的起飛質量還要多。模擬顯示一二級間的理想分離速度也將比當時的獵鷹9號快得多。

NSF專家的模擬表明，BFR的一級可以飛行500公里（高度為200公里）或剛剛超過1000公里（高度16公里）（可以理解為高拋彈道或者是最遠射程兩種模式）。 SpaceX的文件同時顯示了BFR一級和二級（MCT飛船）的復用計劃，一級能夠重複啟動15次以上，在兩個部分都復用的情況下，LEO的有效載荷會下降到200噸左右。

NSF專家很快意識到只有在海上駁船或在下降段上的就近島嶼進行降落才能儘可能減少完全復用帶來的運力損失（主頁君註：當時論壇的網友已經開始幫SpaceX在大西洋上挑選無人島了）。這使得運力損失（估計範圍從4-12.5％）遠遠低於將芯級返回發射場所造成的近50％損失。

關於飛船和貨運版的細節比較少，儘管兩者都是60米長、垂直著陸和升力體設計，並且能夠對接和加註/接受推進劑。一級起飛時與MCT飛船/加油船階段的推力比為5：1，而大多數火箭的一二級推力比則為8：1或更高。

ITS設計中加油、貨運、載人都是一種船型通用，這個思路其實有些像F-35，圖為專門的無人貨運版構想圖

NSF專家認識到這一比例意味著飛船上會有5台真空版的「猛禽」發動機（真空版=大噴管），並認為這種較低的推力比是由於SpaceX試圖修改一級火箭的速度變化量（減小一級火箭提供的Dv，更多的依賴於在軌加註），以便可以更容易地重複使用。後來的消息來源透露，中央3台針對大氣層內優化的「猛禽」發動機也將用於著陸。這種發動機布置方式在發射中雖然增加了發動機冗餘，但具有增加更多乾重的缺點。

在一種載人航天器上同時使用一款發動機的兩個版本十分少見，即使是太空梭的3台SSME也不過是一種大氣層內工作和真空環境工作的折衷設計

MCT飛船本身將在頂部設置一個寬敞的生活艙。為了運送貨物，MCT飛船還在猛禽發動機上方安裝了一個位置較低的貨艙，發動機通過穿過貨艙的一對中心管輸送燃料。這種布置方式可以在垂直著陸後更方便的卸載重型貨物，比如車輛或小型核反應堆。（翻譯君：@馬特達蒙，RTG取暖器233）

網友製作的MCT飛船內部布置，僅供參考

MCT飛船和油輪將由五個可伸縮的著陸腿支撐，而不會像獵鷹9的腿一樣摺疊在外。（主頁君註：當時構想是5個，後來實際是3個腿；由於是徹底的重複使用設計，所以不會像獵鷹9一樣可以不安裝支腿）這些計劃沒有提到飛船的發射中止系統（launch abort system也就是逃逸系統），這使得許多NSF專家感到驚訝。因為這個載具將一次運送100名殖民者。關於SpaceX究竟是覺得不需要有這個系統，或者根本就沒有設計發射中止系統，這是有爭議的。（主頁君註：這是筆者認為的ITS方案目前的另一個主要缺陷）

雖然運載火箭將模仿獵鷹9 v1.2版使用預冷推進劑組合，並使用多個版本的同型號發動機實現所有功能。但還是有一項關鍵的設計差異，也就是整個MCT系統，無論是火箭還是飛船，其推進劑儲箱都將由碳纖維材料製成，而非現有的鋁鋰合金，這種激進的設計將使火箭變的更加經濟。（翻譯君：再次@Amos-6）（主頁君註：碳纖維儲箱目前僅有剛剛首射的「電子」運載火箭採用，但「電子」是一款一次性運載火箭，而且箭徑很小，和ITS不可同日而語，目前大直徑碳纖維儲箱技術儲備最雄厚的是波音，但是波音並沒有將其實用化）

SpaceX的復材儲箱實驗件，後來被拉到海上進行加壓實驗，最終結局不提也罷

此外，MCT飛船和BFR也不會像許多美國火箭與獵鷹9一樣設置有氦氣增壓系統（這也是獵鷹9迄今為止僅有的兩次失敗的相同失效點）。相反，SpaceX將使用兩種推進劑的氣體形式來自動加壓儲箱（主頁君註：也就是常說的「自生增壓」，self-pressurization，這是一個很大的改進，不過目前還沒有詳細的實現細節），這種增壓方式僅使用了不到1%的有效載荷就解決了一個重大隱患。

這些文件還揭示了其他燃料和氧化劑組合正在考慮中，也許最合理的替代方案是C2H4 / O2（乙烯/氧氣），當然這些組合最後都被放棄了。

無論火箭直徑最終如何選擇，計劃中提到的巨大的BFR將是有史以來最強大的近地軌道運載火箭，其運載係數（有效載荷在起飛重量中的佔比）相對於該紀錄目前保持者獵鷹9 v1.2運載火箭（發射質量的4.15％，主頁君註：該數據存疑，但是先這麼看）提升了1%。這意味著，在相對百分比的基礎上，ITS有效載荷占發射質量的百分比將比第二名最有效率的火箭大25％。然而，它的推重比為1.3比1，這意味著運載能力可能還有更大的提升空間。

NSF組建了頂尖專家的設計團隊，由火箭設計師Dmitry Vorontsov和Chuck Longton（DIRECT項目的聯合創始人）擔任顧問以研究確切的數據和設計元素。NSF設計團隊迅速得出了最可能的設計，它是一款105米高，15米直徑的兩級運載火箭，約5500噸。當他們將新的模擬數據寫入文檔來填補之前的漏洞時，又發現了數個新的事實。

第一個是之前計劃總結提到的180米高度可能已經過時了，因為火箭的推力限制，火箭高度需要更低。而且之前的運力數據也很可能是保守的，因為模擬顯示，使用碳纖維複合材料儲箱和獵鷹9風格的干質比優化方式，BFR火箭的LEO載荷已經超過了280噸。

NSF專家還指出，該設計需要在火星表面的太陽能陣列產生大約100千瓦的功率，以支持100名殖民者和船員。由於火星接收到的太陽光僅有地球的36-52％，所以MCT飛船的太陽能電池板陣列將需要在地球附近產生超過200 kW的功率，以滿足火星階段的最低功率要求。

不用想了，這個數量肯定是不夠（摘自電影《火星救援》）We need more and more.

NSF專家認為最有可能為殖民地提供動力的核反應堆類型將是一種緊湊設計的釷基燃料熔鹽反應堆，因為這將能夠利用火星廣泛的釷元素儲量。

NSF設計團隊還注意到一些其他方面的重大問題，包括上面提到的發射中止系統（逃逸系統）的缺失，以及在火星著陸和起飛時發動機或飛船可能發生碎片撞擊。模擬顯示，飛船的猛禽發動機在起飛時將釋放相當於5級颶風的力量，這將增加碎片撞擊的風險。（主頁君註：這也是一個重要的問題，因為火星表面是無發射場起飛，即使事前清理過發射現場，其保障能力和地球相比也是天壤之別）

（摘自電影《火星救援》）

外星球無保障起飛人類並非沒有做過，只不過SpaceX這次難得多

2016年2月，有消息來源證實了設計進展中的一個新細節。SpaceX選擇了一個81米高，12米直徑的設計方案，起飛推力約為土星V的兩倍；而之前另一個更大的方案，88米高，14米直徑，三倍於土星V推力的方案則被廢棄。方案被廢棄的可能原因是：根據估計，12米直徑的設計所需要的發射安全疏散區比14米要小得多（翻譯君：SpaceX是被炸出心理陰影了吧…），大約8公里（5英里）這。此外，猛禽發動機的推力減少了13％，達到1961千牛（440850磅/平方英尺），設計架構也隨之發生變化。

這時BFR將配備42台猛禽發動機，起飛重量82362 kN（18,515,700 lbf，8000噸級別），比以前增加了32.5％。燃料混合比3.58:1（液氧:甲烷），裝載約3650噸推進劑。它將通過使用儲箱增壓氣體驅動的RCS和格柵舵的組合作用下精準降落在發射台附近，而不是在海上。這種變化將使SpaceX犧牲大量運力以換取復用發射流程的簡化。

MCT飛船也發生了更加劇烈的變化，從60米長縮減至41米，而所有貨物和船員現在位於頂部。這種布局戰勝了其餘兩個備選布局（上一期我們討論過這兩種布局）。第一個布局推進劑貯箱在鼻子，然後是加壓的乘員艙，然後加壓貨艙夾在儲箱和發動機之間。這種布局卸載貨物和船員十分方便，並且由於底部沉重，提高了著陸期間穩定性。但不幸的是，由於推進劑管線穿過成員艙和貨艙，它的船員安全性最差，貨物空間也減少的最多，飛船乾重最大。

右圖可見當前版本的內部機構，最顯眼的是共底儲箱，圖片來源見水印

先前的默認布局通過將船員移動到頂部來解決船員的環境問題，將推進劑罐放在中間，並將貨艙放在底部。這種布局提供了更大的著陸穩定性，代價是船員下船不太方便，但最終因為船員和貨物部分放在一起更有利的原因而被放棄。現在使用的布局（從上到下順序為船員-貨物-推進劑）比前兩個布局輕9％和8％，這對MCT飛船從火星返回地球提供了巨大優勢（主頁君註：細心的人可能會注意到，SpaceX目前的宣傳片僅僅到抵達火星就戛然而止了，沒有提及如何返回地球。但是參考火星直擊的思路，MCT飛船返回時是應該是，也只能是SSTO單級入軌，這就對MCT飛船干質比提出了相當苛刻的要求，這也是設計中瘋狂降低乾重的原因所在）。這種設計提高了與貨運版之間的通用性，這將有助於減少製造和設計費用（主頁君註：這是SpaceX設計的一貫特點）。這些優點的價值遠遠超過了降低著陸穩定性和卸載貨物不方便這兩項缺點。

其實，你們真的想多了，卸貨的問題老馬早就想好了

SpaceX將通過添加起重機的方式來彌補這種布局在火星上裝卸貨物不便的問題。而船員則通過一個出口通道從容積為1100立方米的加壓居住艙下降到火星表面。除了這些變化之外，飛船還增設了第6台真空版「猛禽」發動機，將MCT飛船上的發動機總數提高到了9台。（這時，從發動機布置角度，NSF論壇的模擬分析就已經與SpaceX的官方設計完全一致了）

真空版「猛禽」發動機的長度為5.5米，直徑為3.8米，著陸版「猛禽」尺寸則要小得多。（主頁君註：在通常的運載火箭中，這種發動機一般稱之為「起飛級」發動機，噴管膨脹比的設置是根據火箭起飛階段稠密大氣層中的最優化推進效率而設計的，但是在MCT飛船上，這種發動機只有在進入大氣層和著陸反推時才需要使用，所以稱之為「著陸版」，landing engines）所有9個發動機將在一二級分離後一起啟動以盡量減少重達1750噸的MCT飛船的重力損失，緊接著「著陸版」發動機將在推進效率下降到一定程度時關閉掉。發動機從儲存有1450噸推進劑的儲箱中泵取燃料，同時被一個特製的級間段殼體保護著，但這個殼體只覆蓋發動機而不包括噴管。

請原諒我毀了這張圖片，不過目前的ITS設計中迎風面大底得到了延伸，也保護了部分發動機噴管，但是看起來並不具備氣動翼面的功能

ESA的這種設計中，只需要調整角度，就可以對飛船的再入姿態進行調整

這種設計並不鮮見，太空梭就像一座寶庫，時不常就有人來取經

（圖片來源：主頁君自己拍的）

這種設計可以用最小的質量提供最大限度的保護。（翻譯君：還有省錢對吧（斜眼））（主頁君註：「猛禽」和「梅林」一樣，都是通用設計，唯一區別就在噴管上，但馬斯克在近期的推特答疑中提到，由於「猛禽」發動機需要並列布置，不能再使用梅林真空版的輻射冷卻（Radiative cooling），而是全部採用再生冷卻（Regenerative cooling），這進一步推高了「猛禽」的複雜性和成本）