SpaceX星艦研發歷史

SpaceX星艦是一種完全可重複使用的運載火箭和航天器，由SpaceX開發。 SpaceX在2012年左右開始開發火星殖民系統，火箭使用的猛禽火箭發動機則在2016年開始測試。SpaceX在2018年3月開始製造星艦的首個火箭原型。背景.早在2007年，伊隆·馬斯克就表示他個人的目標就是最終能讓人類得以探索並殖民火星。關於登陸火星的計畫架構在2011到2015年間被陸陸續續揭露開來，其中一份2014年的宣告表示最初的殖民者到達火星的時間不會早於2025年，時至2016年年中，此項計劃仍然把這一日期定為不早於2025年。。2011年，馬斯克在一次採訪中表示他希望在10~20年內把人類送上火星。 2012下半年，他表示他設想了一個人口達數萬人的火星殖民地，而其中的殖民者到達火星的時間不早於2025年。2012年10月，馬斯克構思了一個高層面上的有關建造第二套運載能力遠超獵鷹九號與獵鷹重型的可重複使用火箭系統的計劃，而SpaceX已經在原先的系統上花費了數十億美元。這款新運載火箭將會是對獵鷹九號火箭作出的的一次“演進”，而且將會大許多。但馬斯克表示在2013年前SpaceX不會公開發表這項計劃。2013年6月，馬斯克表示“在火星殖民運輸器執行常規任務之前SpaceX不會進行IPO”。行星際運輸系統.2015年初，馬斯克表示他希望在年底釋出有關火星殖民運輸系統“全新架構”的細節。馬斯克的這些計劃最終因為一次SpaceX的發射意外被推遲，而SpaceX公司直到2015年十二月下旬才恢復發射設計.2016年9月，馬斯克公佈了一項直徑達12米；在軌推進劑加註技術；運輸所需的大概時間和火星側與地球側基礎設施的一部分。瑪斯克也表示，為了完成火星運輸任務，SpaceX需要建造一組共三架飛行器(芯級助推器、上面級軌道飛行器、在軌推進劑補充用油輪)。構成2016 ITS運載火箭概念的三種不同的火箭是：助推器.助推器的直徑為12 m，是土星五號的幾倍。助推器底部的外圈和內圈分別有21臺和14臺發動機，這35臺發動機將不能調整方向。中心有七臺可調整方向的發動機。助推器將調整方向中心的發動機及改變固定發動機的推力來改變方向。每臺發動機的推力都能在額定推力的20％到100％之間變化。助推器將在重新進入大氣層使用柵格翼，以控制姿態並微調著陸位置。助推器將會降落在發射臺上。飛船.飛船是ITS系統的第二級，在與助推器分離後，飛船將點燃發動機進入預定軌道。飛船裝備6具真空發動機和3具用於降落的海平面發動機。飛船共有以下的版本：ITS空間飛行器，一個用於長期居住/載貨的飛行器，作為火箭的上面級。ITS油輪，另一個第二級，載荷空間全部用於裝載推進劑，為其他ITS飛行器在軌補充推進劑。重複使用.助推器和飛船均可完全並快速地重複使用，指在大幅降低發射成本。ITS系統將使用SpaceX以獵鷹九號開發的垂直降落技術。2017年7月，馬斯克表示ITS的設計已經“改進了很多”。改進後的設計使該系統對大量的地球軌道和順式發射更為有利，這樣系統可以透過近地空間區域的航天經濟活動來收回成本。大獵鷹火箭.2017年9月，在國際宇航大會第68屆大會上，SpaceX公佈了最新的火箭設計。馬斯克在大會上說：“我們正在尋找正式的名稱，但目前代稱是BFR。” ，採用甲烷分級燃燒火箭發動機技術，最初會用於地球軌道和地月飛行環境，將來也可用於飛往火星的任務。SpaceX於2017年修訂的設計是一種直徑為9米放置在飛船的鼻錐裡。該火箭的第二級有三種版本：BFS貨運，BFS油輪和BFS載人。貨物版本將用於發射衛星到低地球軌道 - 提供“比以前更為量大的撒土豆行為” - 還能運輸貨物到達月球和火星。在高橢圓形地球軌道上重新加油後，宇宙飛船的設計將使其能夠一次性登陸月球並返回地球而無需再次加油。此外，BFR系統在理論上被證明能夠以快速地對地的方式運載乘客或貨物，並在90分鐘內將其有效載荷運送到地球上的任何地方。截至2017年9月，猛禽火箭發動機已經過42次主發動機測試，共計有1200秒的測試點火時間。測試發動機在 20MPa。2017年11月，SpaceX總裁兼營運長Gwynne Shotwell表示，大約一半的BFR開發工作都集中在猛禽火箭發動機上。星艦和超級重型.在2018年9月宣佈的2023年月球環遊任務計劃中 - 名為#dearMoon 私人環遊任務的星艦展示了第二級和星艦的新設計概念，其中有三個後鰭和兩個前鴨鰭，用於大氣進入，取代了在一年前顯示的三角翼和分裂襟翼設計。修訂後的BFR設計在第二級使用了七個相同尺寸的猛禽發動機; 與第一級使用的發動機型號相同。第二級設計在船頭附近有兩個小的驅動式鴨鰭，在底部有三個大鰭，其中兩個將啟動，所有三個都用作著陸腿。此外，SpaceX還在本月下半月表示他們“不再計劃為Falcon 9升級可重複使用的第二級”。 BFR運載火箭的兩個主要部分在11月份被賦予描述性名稱：第二級/上面級的“星艦”和第一級/助推級的“超級重型”，馬斯克指出“建造超級重型是為了遠離地球的深重力井”“新的設計思路.2018年12月，在開始建造第一個碳複合材料測試部件九個月後，馬斯克宣佈將採取“違反直覺的新設計思路”：SpaceX主要用於製造火箭結構和推進劑罐的材料將是“相當重的...但非常堅固”的金屬。這隨後被證明是不鏽鋼。繼馬斯克個人去到博卡奇卡的SpaceX南得克薩斯州發射場後，馬斯克便透露，第一個星艦試驗品“星斗”已經建造了幾個星期。正如先前所想，星斗將由300系列不鏽鋼而非碳複合材料製成。根據馬斯克的說法，使用不鏽鋼的原因是“不鏽鋼明顯便宜，而且建造起來很快。它並不是最輕的，但它"實際上"是最輕的。如果你看一下高品質的屬性不鏽鋼，不明顯的是，在低溫下，不鏽鋼的強度提高了50％。“300系列不鏽鋼的高熔點仍然意味著星艦的背風側在重返大氣層時不需要絕緣陶瓦，而更熱的迎風面將可以使用更少的絕緣陶瓦以隔絕熱量。在2019年5月，最終的星艦設計改為了六個猛禽引擎，其中三個設計在海平面發動，另外三個設計在真空發動。馬斯克還澄清說，第一批建造的Super Heavy助推器的發動機會少於全尺寸型的28臺猛禽火箭發動機，這僅僅是因為早期試飛不需要那麼多發動機，而且此舉會減少在早期試飛中發生助推器故障時SpaceX的損失。2021年7月，馬斯克再度公佈星艦的最新改型，包括真空發動機數量增加至6具；全面換裝第二代猛禽發動機等。另外，艦體也會增長，其上部穹頂(Fwd. Dome)及通用穹頂(Common Dome)改為較扁平外型。而液態氧與液態甲烷降落用儲罐(Header tank)，則會集中佈置於鼻錐內(有別於舊型的分佈在鼻錐內及通用穹頂)，以增加液氧及液態甲烷儲罐的容積。其餘改進特點包括:1. 鼻錐改用拉伸成型鋼板組裝，取代舊型的沖壓鋼板；不僅外型更加平滑簡潔，也有利於加快稱生產速度。2. 前鴨翼尺寸將縮小，並更靠近艦體背風測，以最佳化再入大氣層時的氣動效能。星艦測試.星蟲測試.從2017年10月開始，BFR概念揭幕後的一個月，就有愛好者猜測火箭的飛行試驗將從星艦的亞軌道跳躍開始，而初步的飛行測試最早會在2019年開始。到了2018年9月，第二級星艦的跳躍將在德克薩斯州布朗斯維爾附近的SpaceX南德克薩斯發射場進行。 SpaceX 於2018年11月向美國聯邦通訊委員會申請了一項實驗無線電通訊許可證，向美國聯邦航空局申請了一項試驗性許可證，以支援試飛計劃，從許可上看，所有試飛都將保持在海拔5公里以下。 測試載具星艦和測試地點德克薩斯發射場都將在2018年底開始建造。用於第一次試飛的星蟲的主要結構，即是用於低空測試的星艦的縮減版本，它於2019 年1月10日建造完成。 1月的晚些時候，星蟲遭遇了大風，大風損壞了鼻錐結構，而水塔結構和火箭支腿則保持了完整。隨後SpaceX表示他們不會再做一個鼻錐，因為低速飛行測試不會用到鼻錐。建造/測試進度表.在下表中："Mk"是 Mark 的縮寫"SN"是 Serial Number的縮寫"TT"是 Test Tank的縮寫"HTT"是 Header Test Tank的縮寫"Ship-XX" 是星艦自SN20開始改用的新代號建造/測試時間軸---亞軌道/軌道星艦原型機.SN15/星艦-15.--建造階段----測試階段(地面)----測試階段(亞軌道飛行)----退役----報廢拆解--SN16/星艦-16.---建造階段-----退役--Ship 20/星艦-20.---建造階段------地面測試階段-----退役--Ship 21/星艦-21.--建造階段----退役--Ship 22/星艦-22.--建造階段----組裝階段----退役--建造/測試時間軸---改良版軌道星艦.Ship 24/星艦-24.--建造階段----組裝階段----測試階段----發射演練階段----第一次發射嘗試----取消發射-----第二次發射嘗試/自毀解體--Ship 24.2/星艦-24.2.--建造/組裝階段--Ship 25/星艦-25.--建造階段----組裝階段----測試階段----發射前測試--Ship 26/星艦-26.--建造階段----組裝階段----測試階段--Ship 27/星艦-27.--建造階段----組裝階段----地面測試階段----測試完成/報廢拆解--Ship 28/星艦-28.--建造階段----組裝階段----測試階段--Ship 29/星艦-29.--建造階段----組裝階段--Ship 30/星艦-30.--建造階段----暫停建造----恢復建造/組裝--Ship 31/星艦-31.--建造階段----暫停建造----恢復建造/組裝--Ship 32/星艦-32.--建造階段----暫停建造--Ship 33/星艦-33.--建造階段----暫停建造--Ship 34/星艦-34.--建造階段----取消建造/報廢--Ship 35/星艦-35.--建造階段----取消建造/報廢--Ship 36/星艦-36.--建造階段----取消建造/報廢--Ship 37/星艦-37.--建造階段----取消建造/報廢--軌道發射場&amp;生產基地.軌道發射場 (Orbital Launch Site).軌道發射/整合塔 (Orbital Launch Integration Tower, OLIT)--德州博卡奇卡----佛羅裡達州甘迺迪太空中心--快速斷開/推進劑加註臂 (Quick Disconnect/Propellant Arm, QD Arm)--德州博卡奇卡--機械哥吉拉---助推器/星艦 捕捉臂系統 ("Mechazilla" Booster Catching Arm System)--德州博卡奇卡----佛羅裡達州甘迺迪太空中心--軌道發射平臺 (Orbital Launch Mount, OLM)生產基地/星港 (Production Site/Starbase).棚廠 (Tent)&amp;低/中/高/巨倉 (Low/Mid/High/Mega Bay)--德州博卡奇卡----佛羅裡達州甘迺迪太空中心--超級重型助推器測試.建造/測試進度表."BN"是 Booster Number的縮寫；現僅用於地面測試儲罐。後續軌道飛行試驗，改以 "助推器-"稱之。結構測試儲罐--建造/測試詳細時間軸.BN1 --試製全尺寸模型機BN2--壓力測試儲罐--建造階段----測試階段----退役--B2.1 --穹頂測試儲罐--建造階段----測試階段--B3/ 助推器-3 --全尺寸地面測試機--建造階段----測試階段----退役--B7.1--最大動壓測試儲罐--建造階段--EDOME--測試儲罐--建造/組裝階段----測試/計劃性摧毀--Hot Staging Test Article (等待測試) --測試儲罐--建造/組裝階段--(舊型)軌道飛行試驗機--建造/測試詳細時間軸.B4/ 助推器-4 --建造階段----測試階段----退役--B5/ 助推器-5 --建造階段----退役--B6/ 助推器-6--建造階段----停止建造----地面測試/徹底損毀--(改良型)軌道飛行驗證機--建造/測試詳細時間軸.B7/ 助推器-7 --建造階段----組裝階段----地面測試階段----濕式演練----發射演練----軌道飛行測試----取消發射----成功發射/空中解體--B8/ 助推器-8 --建造階段----測試階段----退役/報廢拆解--B9/ 助推器-9 --建造階段----組裝階段----地面測試階段----發射前測試----發射計劃延後--B10/ 助推器-10 --建造階段----組裝階段----地面測試階段--B11/ 助推器-11 --建造階段----組裝階段--B12/ 助推器-12 --建造階段----組裝階段--B13/ 助推器-13 --建造階段----組裝階段--猛禽火箭發動機測試/交付.-- 第一代猛禽發動機 --- RC(Raptor Center): 改良版海平面發動機，具備萬向節(Gimbal)及節流功能。- RB(Raptor Boost): 超級重型專用發動機，移除萬向節及節流功能；推力增加至230噸。-- 第二代猛禽發動機(Raptor Version 2 / Raptor 2) ---- 第三代猛禽發動機(Raptor Version 3 / Raptor 3) --詳細猛禽發動機測試/交付記錄請見猛禽火箭發動機---二代猛禽發動機交付紀錄---