聊聊spacex星舰的背后是什么（Spacex星际飞船的变迁史）

（……续上）

2015年1月，SpaceX公司改变了方向，突然将猛禽发动机的推力调低至2256千牛（507100磅力），不过除了会有很多发动机外，没有提及火箭整体推力或设计的变化。SpaceX最初的手绘草图之一是一个简单的15米宽的太空舱，有15个猛禽引擎，每个引擎都有一个2.89米（9.5英尺）的喷嘴。货物和船员会坐在推进剂罐下面。一个直径13米的球形液氧罐放在鼻子里，下面是液态甲烷罐。它将进入一个行星的大气层，它的所有后继者也会。这是因为侧入式具有良好的进入、下降和着陆（EDL）性能，而密封舱进入使得保护发动机不受再入发热的影响非常具有挑战性。

星际飞船概念图

SpaceX公司最终拒绝了最初的太空舱设计，因为它要求通过载人区域的补给线更长，质量更高，乘员环境更恶劣。接下来，该公司考虑了不少于四个上层变型，每一个都有小型球形集箱用于着陆。这将有助于飞船避免在高g下降时由于推进剂晃动而熄火。从那时起，每一个已知的上层变型都提到了拥有这些球形集箱的可能性。考虑的第一个上级变型是一个直径15米（49.2英尺）的航天器，由15个猛禽发动机提供动力。猛禽引擎将环绕飞船底部，每个引擎向外倾斜15度。推进剂罐将从上到下填满载具的中心。液氧罐将位于液态甲烷罐的顶部，并完全填满飞船的鼻锥。第二个货舱区域将环绕着车辆氧气罐的底部，并将乘员与氧气罐分开。反过来，船员们将被安置在一个环形的压力容器里，这个容器包围着甲烷罐的上半部分。

星际飞船内部概念图

主货舱就在船员的正下方，包围着甲烷罐的下半部分，一根氧气发射管将穿过甲烷罐。“猛禽”的引擎应该安置在主货舱下面。甲烷罐在到达星际飞船基地之前就已经结束了，在猛禽发动机环之间留下了一个相对空的结构区域。第二种型号的特点是三个猛禽发动机排列在一个由12个引擎组成的外圈之间，呈三角形排列。这个变种的鼻锥也有氧气罐。然而，它的甲烷罐只有星际飞船的宽度，还有一根氧气管穿过它。这种设计的推进剂罐占用的垂直空间要小得多，尽管它比先前的改型要高。一对推进剂管道穿过主货舱，占据了第二种型号的大部分长度。一个甜甜圈形状的船员压力容器将被安置在主货物区的上半部分之外。一个小的次级货舱区将把船员和上面的推进剂罐分开。主货物区将位于基地，占据整个星际飞船的宽度。第三个变体在布局上与第二个变体相似，但是更窄更高。它有五个中央安装的猛禽发动机，五边形，由10架猛禽组成一个环。

科幻片中的飞船内部

早期星际飞船的第四种变体比第三种更高更窄。这个版本是唯一一个在星际飞船基地放置推进剂罐的版本。甲烷和氧气罐都占据了车辆的宽度，氧气推进管也穿过甲烷罐。主货物区位于氧气罐上方，并分布在车辆的整个宽度上。乘员舱位于这上面，也构成了整个车辆的宽度。二级货舱位于机头上方。到2015年7月25日SpaceX召开MCT设计会议时，设计已经进一步发展。马斯克在会上指出，设计必须比“龙”号更有效率，他希望所有乘客都能有游轮式的私人舱室或集体舱室，并将其比作游艇而不是小艇。他们决定在助推器和飞船之间有一个类似的结构。这次会议还首次提到了一艘油轮，进行了三次飞行以完全填满MCT。MCT将配备大型门，将货物和船员运送到水面。其他的设计元素也被提到，比如一个900吨的潜在球形甲烷罐。除了发动机之外，最根本的变化是推进剂罐材料的改变。

储罐

每一个推进剂罐将是一个无衬里的复合材料单体罐，由800帕斯卡（6托）强度的气凝胶绝缘。气凝胶可能具有内部结构以分担负载。在1.7巴（25磅/平方英寸）的空气压下，这些燃料箱将由其推进剂的气体形式自动加压，SpaceX的工程师发现这在提高可靠性和增加质量之间提供了一个很好的折衷方案。锂铝合金罐被发现在这些规模下，当自动加压时是低效的，因为他们必须加强以防屈曲。碳纤维油箱提供了比铝合金更大的几何刚度，使得相同尺寸的车辆质量更低。马斯克甚至提到他希望将热保护系统（TPS）和结构结合起来以节省质量。这预示着SpaceX最终决定在整个设计中使用碳纤维。这主要是因为它的低热膨胀系数使得SpaceX能够将飞船的隔热罩直接连接到结构上，从而可能节省更多的质量。2015年10月，NSF进一步了解了马斯克的计划。MCT将是一个180米（590.6英尺）高的单杆设计，直径12米。

火星车

2015年10月，NSF进一步了解了马斯克的计划。MCT将是一个180米（590.6英尺）高的单杆设计，直径12米（39.4英尺），质量4724吨，一艘1125吨的宇宙飞船安装在3599吨的助推器上。它将以62223千牛（13998300磅）的推力从27架猛禽发动机发射升空，并能重复使用236吨的升力到狮子座。这相当于一架满载的空客A330-200F货机。令人惊讶的是，它还将使其可重复使用的版本成为世界上效率最高的运载火箭，其有效载荷相当于发射质量的4.99%。MCT宇宙飞船和油轮将长60米，是垂直着陆的升降机构设计，能够对接和输送推进剂。两者都将采用pica3.0烧蚀材料的TPS。核心级与宇宙飞船/油轮级的推力比很低，只有5:1，而大多数火箭的推力比为8:1或更高。专家们意识到这艘太空船上有五个真空引擎。在这个时候，上层也可能有三个中央安装的猛禽着陆引擎。

马斯克和马云

MCT飞船本身将有一个大型的居住区，上面安装有一套船员舱。为了运载货物，飞船将在猛禽发动机上方安装一个较低的货舱，发动机通过一对穿过货舱的中央管供给。这种布局可以方便地卸载重型货物，如车辆或核反应堆。这艘飞船和它的油轮将由五个可伸缩的着陆腿支撑，它们不会像猎鹰9号的腿那样向下折叠。令人惊讶的是，飞船上没有发射中止系统（LAS）的计划。该计划的概要提到了180米的高度，这可能已经过时了，因为火箭的推力决定了一个更短的飞行器，大约105米。

2015年后，SpaceX进一步改进了上层设计。最重的型号被评估为80.7吨，其特征是在机头、机组人员下方安装了推进剂罐，主要货物区域就在发动机上方。第二个最重的变型为79.8吨，上面有乘员舱，基地有主货舱，中间还有推进剂罐。选择的变型是73.3吨，上面是机组人员，中间是货物区，基地是推进剂罐。它牺牲了着陆和货物卸载的便利性来改进delta-v，这对从火星返回地球至关重要。

星际飞船

到2016年2月，该公司已将MCT改进为更大的~5400吨、高81米（265.7英尺）、直径12米（39.4英尺）的设计，推力约为土星五号的2.4倍。它将完全由碳纤维制成，顶部是41米（134.5英尺）高的MCT，九个猛禽发动机（6个真空和3个着陆），燃料为1450吨发射药。下面是一个40米（131.2英尺）高的助推器，装有42台猛禽发动机，携带3650吨推进剂，氧/燃料比为3.58。猛禽发动机的推力缩小了13%至1961千牛（440850磅），导致助推器产生了82362千牛（1851.57万磅力）的推力，比以前增加了32.4%。它将在发射台附近着陆，而不是在海上，通过由热空燃气体和栅格翼驱动的推进器组合。SpaceX计划将助推器、加油机和飞船分别重复使用1000次、100次和12次，而飞船的再利用在其进入地球轨道的过程中所承受的巨大热量严重受限。MCT油轮明显不同于MCT船，它的超大容量为1650吨，而只有27米（88.6英尺）。作为以后高超音速飞行计划的可能先驱，SpaceX公司考虑将地球上升油轮演示为单级入轨（SSTO）飞行器，喷嘴尺寸减小，推进剂装载量为540吨。真空版的猛禽发动机长5.5米（18英尺），直径3.8米（12.5英尺），而着陆发动机猛禽则要小得多。为引擎提供动力的是在发射前冷却到-212摄氏度（-350华氏度）和-178摄氏度（-288华氏度）的液态氧和甲烷。在上一级变型上，所有九个引擎都会在级后分离后发射，以尽量减少重力损失，当着陆引擎不再有用时会关闭。一旦进入轨道，油轮和飞船将通过旋转和压力辅助装置使燃料箱沉降，从而停靠和转移推进剂。

马斯克

这艘船的特色是在氧气罐的上边缘周围储存水、盐水等。非增压货舱在这个仓库的上方，它将有两个3米高的甲板，由一根中心立柱支撑。该区域将包括电力系统、热系统、未部署的太阳能电池阵列、散热器、生命保障、空气处理、储存和航空电子设备。根据最低空间自由返回标准（每人15.1立方米），它将有足够的空间搭载73人进行为期两年的火星自由返回飞行。SpaceX将用一个大货舱门和一个龙门起重机来弥补这种布局的低劣卸载特性，用于将重型货物运下火星。机组人员将能够从1100立方米的加压舱通过出口管道到达火星。加压部分可以通过连接到对接端口的气闸进入。它将具有与货舱相同的中央支撑柱。共有四层，其中三层2.5米（8.2英尺）高，为船员提供食物和住宿，还有一个更大的顶层。

龙门吊

这一层包括船员餐厅和发射/着陆座位。飞行器的机头装有控制推进器，以控制它的精细运动。变化的一个因素是油轮和轮船的可伸缩支腿，其中有五个将在尺寸和耐用性上进行重大升级。当SpaceX致力于全碳纤维设计时，其工程师们注意到波音787的碳纤维机身部件所带来的巨大制造挑战。其他值得注意的问题包括碳纤维相对于金属设计的损伤容限有所降低，SpaceX曾希望通过更厚的层压板来解决这一问题。它正在研究芯材与加筋板复合材料结构。前者将允许在设计中进行吹扫和隔热，而后者则允许采用可共同粘结的加筋板结构。计划是，车辆复合材料截面的制造流程将从用于制造截面的裸工具开始。接下来，将创建一个推进剂罐筒末端形状的内面板。推进剂罐的复合材料制造将以自动铺带和/或自动纤维放置为特色。然后加上一个带支撑的过渡环。接下来，将添加核心结构，然后添加外部面板。在取下工具之前，将结构装袋固化。第二个组合截面将叠放在这一个上面。一个搭接接头将被用来将两个部分连接在一起，完成两组推进剂罐。SpaceX早在2016年就估计，他们可以建造当时的MCT助推器，只需三个复合材料部分加上一个中间阶段。仅建造助推器，公司工程师估计碳排放率为每月16-20吨。相比之下，四段式助推器 级间增压器需要一个碳沉积率为8-11吨的工具。然而，它需要一个额外的拼接接头和一吨的额外质量。

星舰最新进展

正在对这艘船和油轮的TPS进行严格评估。当SpaceX决定最初73.3吨的MCT版本时，其工程师估计它需要大约18吨的烧蚀PICA热屏蔽。这意味着大约四分之一的车辆质量将完全用于TPS。这将削弱碳纤维的质量优势。SpaceX的工程师们也在寻找降低TPS成本的方法。在火星往返飞行期间，多个大气入口的压力将需要整修整个TPS。为了提高可重复使用性，在两次飞行之间降低油船TPS的翻新成本也有类似的担忧。（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。