Spacex星际飞船的变迁史,马斯克的星舰是怎么来的(二)?

(……续上)

版本1(火星殖民运输车2013年10月)

到了2012年10月,随着SpaceX发动机专业技术的不断提高和财务状况的改善,猛禽发动机已经变成了一个比Merlin 1发动机强大数倍的发动机。多个猛禽发动机将为未来的火星殖民运输火箭提供动力,该火箭能够将150-200吨的重量送到近地轨道。


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星际飞船概念图

次月,马斯克宣布猛禽将是甲烷/液氧(methalox)发动机。甲烷氧化合物的优点是在火星上可生产,比氢更容易储存和处理,在燃烧室中比煤油/液氧更不易结焦,并且在过冷时,单位推进剂质量的体积仅大21%。发动机的循环结构由燃气发生器改为分级燃烧循环,虽然更复杂,但效率和推力更高。
分级燃烧循环发动机使推进剂流经两个或多个燃烧室,在燃烧室中分阶段燃烧。这样做的好处是以增加复杂性为代价,提高燃油效率(以比冲测量)。2013年10月,猛禽的首次推力数据至少为2942千牛(661400磅力)。

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猛禽发动机

在最早的版本中,车辆的结构是由锂铝合金制成的。铝合金的优点是可进行搅拌摩擦焊接,具有均匀的性能,比碳纤维更耐损伤,并且通常具有良好的强度重量比。然而,随着SpaceX改进设计,工程师们会发现扩大猎鹰9号建造方法的缺点。
NSF的早期研究表明,这种9.8米的单芯火箭只能提升120吨,低于SpaceX声称的150-200吨。一个重5440吨,由28个猛禽发动机驱动的三核版本,能够将超过286吨的重量送到近地轨道。单核和三核将能够分别发射相当于满载的波音757-200和麦克唐纳道格拉斯MD-11ER。

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星舰CG图

第2版(火星殖民运输车2014年3月)

2014年2月,马斯克表示,MCT的有效载荷是一艘大型星际飞船,能够装载100吨货物和机组人员。
2014年3月,SpaceX推进副总裁汤姆·穆勒(Tom Mueller)确认了猎鹰9型发动机配置,核心级有9台猛禽发动机,上层有1台。穆勒还宣布将猛禽发动机的推力增加到4448千牛(1000000磅力),并选择了直径10米的火箭。

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波音767

全循环燃烧发动机很少使用,但也被称为高效燃烧发动机。这意味着猛禽发动机将是一个分级燃烧循环发动机,带有富氧化剂和富燃料预燃器,每个预燃器都由一个单独的涡轮供给。这些燃料将由推进剂气体供给,从而产生更大的能量。好处包括涡轮温度降低和压力降低,从而提高可靠性和延长发动机寿命,缺点是更加复杂性等。
NSF的最新评估显示,这种型号的推力增加将使单芯对LEO的能力提高到174吨。一个简单的方法是想象单核版本将一架几乎满载的波音767-200ER升入轨道。

第3版(火星殖民运输车2014年5月)

2014年5月,在德国科隆举行的空间推进大会上,猛禽发动机的更多细节被曝光。猛禽的海平面推力增加到6914千牛(1554300磅力)。猛禽的真空版有8238千牛(1851900磅力)的推力和380秒的ISP。结果是火箭的推力提升至62223千牛(13988300磅力),这将导致对LEO的有效载荷能力至少为270吨。这大致相当于将一架载有335名乘客的空客A340-300送入轨道。

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空客A340

第4版(火星殖民运输车2014年6月)

2014年6月,随着SpaceX公司开始对猛禽进行部件测试,穆勒将猛禽发动机的推力修正为7414千牛(1666700磅),这与有史以来最强大的火箭发动机不相上下。因此,火箭的总推力进一步增加了7.2%,达到66723kN(15000000lbf)。

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火箭布局

此外,还出现了一些细节,即SpaceX不再考虑多核设计,而是专注于一个直径在10到15米之间的单个大内核。这种转变的主要原因可能是单核相对于多核所允许的复用性能损失要小得多。
在推进力升级之后,NSF的评估显示,任何一个正在考虑中的单核变型都将能够消耗性地将超过300吨的重量提升到LEO,其中大约一半的容量可以重复使用。(未完待续……)

注:本文从转载网上翻译的NSF最新文章,对原翻译的部分句子或者词语做了修改,原文作者是菲利普·盖纳。

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页面更新:2024-03-11

标签:多核   穆勒   波音   液氧   燃烧室   火星   猛禽   载荷   甲烷   推力   飞船   轨道   星际   发动机   火箭   运输车   版本   体育

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