SpaceX公司的太空任務支援艦隊

物業不是東西 2020-07-18

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小火箭出品必屬精品
本文作者：邢強

本文共6693字，90圖。

預計閱讀時間：55分鐘。

本文是小火箭的SpaceX系列報告的新一篇。

以往的報告，咱們對于獵鷹1號運載火箭、獵鷹9號運載火箭的總體設計與制導控制以及成本計算有了比較詳細的分析和計算。

對于一個同時具備運載火箭的研發與量產、衛星總體設計與量產和在軌交付與遠期運營能力的企業來說，其技術支持力量將會不僅僅限制在傳統的廠房車間與現代化的試車臺上，也不會局限于運載火箭的陸上發射場。

為了實現運載火箭的海上回收和載人版龍飛船的自主回收，SpaceX還需要有一支可堪使用的艦隊。

本文，小火箭就和大家一起，詳細探討：

SpaceX公司的海上力量的概況；

運載火箭海上回收平臺的的性能與設計思路；

整流罩回收船的情況；

載人版龍飛船的海上專用回收船；

其他保障支援船只。

1號船

僅需閱讀說明號

僅需閱讀說明，這個名字，來自于科幻小說《游戲玩家》。

對于一家90%的員工都是深度科幻迷（其他10%認為自己是狂熱科幻迷）的企業來說，對其重要型號的命名，當然要源自各種值得玩味的科幻梗了。

上圖就是僅需閱讀說明號，注意其左側船艏的鯊魚嘴涂裝。

這個涂裝讓小火箭想起了二戰期間的P-40飛虎隊。

2014年10月初，SpaceX認為其海上回收技術已經具備一定的可行性，于是就向路易斯安那州一家造船廠下了訂單，訂購了兩艘馬麥克30X型甲板型駁船，并給出了改造指標。

具體為303和304。

該型駁船，長91.45米，寬30.49米。

按標稱吃水深度計算，每平方米甲板可對應12.21噸載重。

考慮到獵鷹9號運載火箭之前只進行過成功的陸地回收試驗，而且大西洋和太平洋的海況都是令人印象深刻的，所以SpaceX公司對于海上平臺的穩定性要求是相當高的。

該平臺采用4臺300馬力的發動機來維持在大洋中的穩定。

改造后的運載火箭海上回收平臺，長度不變，寬度從駁船的30.49米拓展為52.12米。

上圖為4臺大功率推進器中的一臺。

平臺以保持火箭著陸時的姿態穩定度為優先設計指標，因此犧牲了自身動力的持續航行能力。

在進行落區部署的時候，往往會借助拖船的拖拽。

按發射時間窗口和彈道要求，小火箭計算中心基于獵鷹9號運載火箭的動力學特征，進行了彈道設計。

由上圖可見，獵鷹9號運載火箭由佛羅里達州卡納維拉爾角發射升空，射向為東北，二級（黃色）有綿長的滑行段。

紅色為獵鷹9號運載火箭第一級的彈道，黃色為獵鷹9號運載火箭第二級的彈道。

可見，獵鷹9號的第一級著陸在了大西洋預定海域。

從彈道設計的層面來說，運載火箭的第一級的海上降落，能夠讓火箭的受控落點與無控落點的距離較為接近。

這樣的好處，就是可以讓第一級專注于姿態穩定和減速，而無需大幅度在縱程與橫程上進行調整，從而節省大量燃料，這也就意味著無需損失過多運力。

在運力損失與可重復使用之間能夠取得良好平衡點，是一款火箭進行可持續運營的關鍵。

獵鷹9號運載火箭的第一級彈道。

結合小火箭之前給出的獵鷹9號可重復使用運載火箭的第一級彈道的計算可知，拖船需要把平臺拖拽到海岸外將近500公里的地方。

如果是非載人的近地軌道發射，則可以讓彈道更加陡峭一些，其第一級的彈道落點相對來說就會近一些。

比如首次海上回收測試的時候，落點就設定在了距卡納維拉爾角發射地點東北方向320公里處，南卡羅萊納州查爾斯頓東南約266公里處。

如果是打地球同步轉移軌道的話，一級的落點就要遠一些了，按小火箭的彈道計算結果，為650公里處，根據載荷的具體情況，最近可為607公里，最遠可達681公里。

而如果是重型獵鷹運載火箭的話，芯一級的海上落點，可以遠到1240公里處。

公元2015年4月14日，一枚獵鷹9號運載火箭V1.1型從卡納維拉爾角40號發射工位順利升空。

她把執行第6次國際空間站貨運任務的貨運版龍飛船送入了預定軌道。

當天，這枚獵鷹9號運載火箭的第一級在僅需閱讀說明號火箭回收駁船上實現了成功降落。

借助海上平臺的差分GPS天線的定位能力，平臺可以將自身定位精度控制在3米×3米的范圍之內。

實際上因為這個定位裕度提得有些大了，按最近十幾次的回收情況來看，其平臺定位誤差均小于1米。

平臺上有相對位置機器視覺傳感器，對逐漸逼近的運載火箭第一級的情況進行觀測，并且可以把實時影像上行到測控衛星，然后借助衛星回傳給控制中心。

雖然這個上行鏈路有兩個天線來互為備份，但是關注每一次獵鷹9號運載火箭海上回收的小火箭好友們大概會發現，有好幾次這個機位的拍攝畫面都出現了突然中斷的情況。

有人會猜測：這會不會是SpaceX公司為了不讓其他工程師觀察到獵鷹9號運載火箭第一級的返回末段彈道的點火策略和飛行控制彈道而故意切斷的鏡頭呢？

答：不是的。真實原因比較單純：獵鷹9號運載火箭的第一級返回到駁船上空的時候，會大力點火一下來做最終的減速。

這個點火的力道非常大，會給駁船帶來劇烈的振動。這樣的振動，有好幾次都把駁船上的上行鏈路的衛星天線的鎖星狀態給破壞掉了，因此就出現了直播畫面突然消失的情況。

2號船

當然我依然愛你號

當然我依然愛你號，比起姊妹艦僅需閱讀說明號來說，裝備要精良一些，增設了防止火箭尾焰炙烤柴油油箱和發電機的擋板。

這張特寫照片較為清晰地展示了模塊化的柴油發電機、電動機組、油箱還有由藍色旋臂托舉著的推進器螺旋槳。

有關這個海上浮動平臺的名字，還是值得說一說的。她叫做Of Course I Still Love You （當然，我依然愛你）。

這個名字的出現在當年SpaceX公司多次嘗試在海上回收遇挫時出現，不禁讓很多人認為，這是對火箭本身的鼓勵。雖然炸了平臺，但是，依然愛你。

實際上，這個名字同樣是向蘇格蘭的科幻小說作家伊恩·班克斯致敬，同樣出自科幻小說《游戲玩家》。

在大西洋上迎接獵鷹9號火箭的平臺，長91.1米，寬52.05米，采用4臺300馬力的發動機來維持在大洋中的穩定。

按照快速迭代的設計理念，我們依然能夠看到一些細節上的改進。

比如，之前獵鷹9號火箭成功地在海上回收之后，會有“敢死隊”工程師冒著火箭和甲板的余溫炙烤和火箭在海浪中傾覆的危險，給火箭綁上固定線纜。

而之后，傳說中的回收機器人就該上陣了。雖然她沒有像之前傳聞中提到了有拖拽火箭、擺平火箭甚至是再次加注的能力，但是她有個很實在的功能：能夠盡快抓住獵鷹9號火箭一級的大空殼子，而不再需要讓人類工程師去冒風險。這一個細節的變化還是蠻贊的。

獵鷹9號火箭的一級尾部，有一個用于吊運的孔。對于液體燃料火箭這種“皮薄餡大”的飛行器來說，彈體大部分地方是不能亂踩亂抓的，需要按照規程來對其吊裝部位進行操作。這個規定還是要遵守的，弄不好會出大事情，詳見小火箭的公號文章《一柄扳手引發的美國核導彈大爆炸》。

再離近一些，可以看得更清楚一些。海上浮動平臺的機器人就是抓住上圖中間部位的那個孔來防止火箭在海浪中傾倒的。

以上為海上平臺遂行獵鷹9號運載火箭海上回收作業的場景，由平臺上的3臺攝像機拍攝。

Sunny Boney M - The Magic Of Boney M.

SpaceX公司為什么要弄兩艘海上回收駁船（平臺）呢？

答：獵鷹9號運載火箭從美國東西兩個海岸的卡納維拉爾角和范登堡發射，因此需要一個大西洋上的回收平臺和一個太平洋上的回收平臺。

當然，有時候，回收平臺會根據任務需要而進行調度。

2019年，海上平臺僅需閱讀說明號，需要從太平洋轉場到大西洋。

小火箭好友們已經知道了獵鷹9號運載火箭從范登堡空軍基地陸上回收之后，乘坐大卡車橫跨整個北美洲進行陸地轉場，然后在卡納維拉爾角進行再次發射的情況了：

接著，一輛長得非常像擎天柱大哥的大卡車，將B1048裝到托架上，橫穿整個北美洲，把她從加利福尼亞州范登堡空軍基地的第4發射場的4E工位運到了佛羅里達州的卡納維拉爾角第40發射場。

小火箭開了一下導航看了看，這一路，不眠不休地開至少40個小時才能到。

走I-10W公路會好一些。這就是德克薩斯州（或譯得克薩斯州以便與山東德州市分開）和新墨西哥州的人有時候會拍到獵鷹9號運載火箭躺在大卡車里趕路的場景的原因。

全程2719英里，也就是4376公里。這個距離，相當于火星赤道半徑的1.3倍。

北京市到上海市的里程，為1318公里，獵鷹9號運載火箭的第一級B1048從范登堡空軍基地轉場到卡納維拉爾角，相當于跑了3.3趟京滬線。

總體來說，獵鷹9號運載火箭Block V型的貨運發射間隔，在2個月零13天到8個月零22天之間。

那么，碩大的海上回收平臺，是如何轉場的呢？

答：和大型軍艦一樣，通過巴拿馬運河。

巴拿馬運河，是溝通大西洋和太平洋的關鍵水路。

自1914年運河開航一百多年以來，這條82公里長的運河為人類的航運貢獻了巨大的力量。

然而，受一百多年前的技術水平和大自然的先決條件的限制，巴拿馬運河的通航寬度是有限的。

百年來，巴拿馬極限成為了人類各類大型船舶的一項設計限制。

以往，長度320米，寬度33米，吃水13米，這個限制，就是巴拿馬船閘通航的極限了。

想要同時稱霸大西洋和太平洋的軍艦或者暢行全球的巨輪，基本上都充分尊重了這個極限。

上圖為密蘇里號戰列艦正在穿過巴拿馬運河的場景。

該照片攝于公元1945年10月13日。

該艦一個多月前剛剛在東京接受了日本的無條件投降，如今正準備穿過巴拿馬運河，從太平洋開到大西洋，然后一路北上到紐約去參加慶典。

密蘇里號戰列艦屬于衣阿華級，該級戰列艦的寬度為32.97米，就是瞄著巴拿馬極限的33米寬度限制來的。

設計師力圖在噸位上不打折扣，從而催生了這款長寬比相當大的瘦長型的戰列艦。

近些年來，巴拿馬運河的拓寬工程一直就沒有停歇過。

不過，對于寬度超過52.12米的SpaceX公司海上回收平臺來說，巴拿馬運河還是有點窄。

好在平臺設計師早有考慮。

獵鷹9號火箭的海上回收平臺的甲板可拆卸折疊，其折疊后的寬度，剛好滿足巴拿馬運河的通航要求。

上圖為折疊甲板后的僅需閱讀說明號在拖船的拖拽下通過巴拿馬運河時的場景，攝于2019年8月18日。

上圖從左到右：現役海上回收平臺、未來的星艦海上回收平臺、福特號核動力航空母艦。

3號船

探索號

探索號在2004年下水，在2014年成為SpaceX公司的海上回收艦隊的領艦。

探索號，長53米，寬12米。

探索號自加入SpaceX公司以來，參與了幾乎所有的獵鷹9號運載火箭的發射。

她為1號船和2號船，也就是兩艘海上回收平臺提供全方位的技術支持和安全補給保障。

從上圖可見，這是一艘典型的保障船舶。

另外，探索號的后甲板上有衛星天線，能夠為獵鷹9號運載火箭的一級再入提供中繼通信支持，因此來提升一級再入返回的下行數據和上行指令的傳輸可靠性。

雖然探索號出于種種原因，采取了低調化的涂裝，跟大量貨船和其他公司的保障船可以無差別融入，但是其行動蹤跡與獵鷹9號運載火箭發射活動的高度相關性還是暴露了她的真正使命。

由此，大家可以通過觀察探索號的行動來判斷獵鷹9號運載火箭的發射情況。

如果不是專門的訓練活動的話，該船出港36小時后，通常就意味著會有一枚獵鷹9號火箭拔地而起。

注意看上圖船艉的兩個白色扶梯。

這是SpaceX的工作人員從海上回收平臺登上探索號之后來使用的。

拖船把海上回收平臺送入預定海域后，工作人員需要在獵鷹9號運載火箭的第一級返回之前進行撤離。

所有的撤離活動，都是探索號這艘船來實施的。

4號船

NRC 探索號

NRC 探索號，長52米，寬11米，是貨運版龍飛船的回收船。

2017年，小火箭有一份報告，題為《為了科學研究：我們需要更多的航空母艦》，講述了人類使用航空母艦來支持飛船的海上回收的歷史。

上圖的航母編隊中有4艘大艦：美國的約翰·C·斯坦尼斯號航空母艦（USS CVN-74，尼米茲級核動力航空母艦的7號艦）、法國的戴高樂號航空母艦（法國擁有的第十艘航空母艦、法國唯一的一艘核動力航空母艦）、美國的肯尼迪號航空母艦（USS CV-67，小鷹級航空母艦的4號艦，美國最后一艘常規動力航空母艦）、英國的海洋號兩棲攻擊艦（英國皇家海軍旗艦、帶有全通甲板的直升機航空母艦）。

1965年12月18日，兩名雙子座12號飛船的宇航員被接到胡蜂號航空母艦上。

上圖為提康德羅加號航空母艦上的直升機正在救起宇航員，并將在稍后回收指揮艙。這是阿波羅計劃的最后一次載人登月。

說了這么多，總之就是：航空母艦不僅僅能夠在平時或者戰時發揮威懾以及實戰的作用，實際上其本身也是一個巨大的科學研究設備。在人類的太空探索事業前進的步伐中，航空母艦編隊的搜救作用不容小覷。

大黃蜂號航空母艦搜救阿波羅11號飛船的珍貴視頻資料：

NRC探索號于2015年加入SpaceX公司，這艘在2002年下水的船只讓貨運版龍飛船的回收不再依賴于海軍。

2015年，貨運版龍飛船的第5次國際空間站補給任務成功。

貨運版龍飛船是人類首款可重復使用的貨運飛船。

具備貨物從空間站到地球的下行能力，為涉及生物技術和材料科學相關的研究有了新的平臺。

貨運版龍飛船采用和神舟飛船不同的返回方案，用群傘+海上濺落方式。

另注：濺落，是太空領域的專業詞匯，特指人造衛星、飛船、火箭等飛行器再入稠密大氣后，按預定彈道落入海洋的返回動作。

上圖為阿波羅15號載人飛船濺落在太平洋的瞬間。這水花四濺的場景，讓濺落這個詞，名副其實。

NRC探索號在預定海域蹲守，往往是目視可見貨運版龍飛船的再入末段。

船舶駕駛員把船開到貨運版龍飛船所在海域，用打撈吊車把飛船吊裝到后甲板上，就可以帶回家了。

NRC探索號的甲板上的白色艙段是干什么用的呢？

咱們換個角度來看就明白了：

哈！其實就是個小棚子。

另外，NRC探索號上面同樣有遙控遙測設備，能夠在需要的時候，為獵鷹9號運載火箭提供支持。

按小火箭的數據庫統計，在SpaceX公司發射二代銥星的第4批和第5批衛星的時候，該船都參與了測控。

5號船

搜索號

搜索號，是SpaceX公司的新船，2010年開工，2016年交付使用。

從該船的配色來看，大家或許已經能夠猜到其用途了：

沒錯！搜索號就是回收載人版龍飛船的專用船舶。

在載人版龍飛船尚未碰觸到海面的時候，搜救人員已經趕到了旁邊，在靜候飛船濺落的瞬間。

隨后，搜救人員乘坐小艇靠近龍飛船。

長52米，寬11米的搜索號把龍飛船吊起。

實現了安全回收的龍飛船。

搜索號與NRC探索號的不同有兩點，一是多了一個直升機起降平臺，方便在緊急情況下對宇航員實施快速運輸施救；二是有一個醫療方艙，代替了貨運版龍飛船回收船舶的那個簡易小棚子。

搜索號動力強勁，船速較快，雷達也比貨運版龍飛船的回收船好得多，同時還有一個快艇小分隊。

而搜索號，還成功完成了額外任務：

回收整流罩。

第一批星鏈和阿星-6A的整流罩，都被搜索號完好地收了回來。

這算是在進行載人版龍飛船的回收任務之前的熱身鍛煉吧。

嗯，其實她已經成功參與了12次整流罩回收任務了。

這家伙的副業比主業干得還更加風生水起。

6號船

領航員號

領航員號和搜索號的配置幾乎相同，她們為姊妹艦。

5號船搜索號為載人龍飛船主回收船，6號船領航員號為載人龍的備份回收船。

和搜索號類似，領航員號也進行了一些整流罩回收作業。

領航員號迄今為止，已成功回收5塊整流罩。

其中，第一批星鏈衛星發射的兩塊整流罩，由她和搜索號各自撈出了一個瓜瓣，剛好湊成一對。

7號船

樹女士

樹女士，原名史蒂夫先生，是SpaceX艦隊中的整流罩專用回收船。

該船原本是墨西哥灣石油行業巨頭用于快速反應和多用途搜救的船舶。

SpaceX公司看中了該船1.03萬馬力的動力和32節的航速，入手了。

他們給樹女士加裝了四個巨大的支撐臂，頂部撐起了一張面積達3596平方米的大網，用來試圖接住從天而降的整流罩。

上圖為獵鷹9號運載火箭的整流罩，可以和旁邊身高為1.78米的泰勒按比例對照一下，獲得直觀感受。

沒被大網接住的整流罩，其實還有撈取的機會。

正在出海準備接整流罩的樹女士號。

2019年8月25日，樹女士成功回收了一塊獵鷹9號運載火箭的整流罩瓜瓣。

花間夢事純音樂

8號船

女酋長

女酋長是樹女士的姊妹船，同樣長62.51米，寬10.38米，排水量496噸。

9號船

勞倫·福斯

她是海上回收平臺的拖船，通常拖的是僅需閱讀說明號。

10號船

芬恩·法格特

這是另外一艘拖船。

至此，小火箭完成對SpaceX任務支援艦隊的全部介紹。

凡10艘船：

其中2艘由動力駁船改造而成的一級火箭海上回收平臺（僅需閱讀說明號、當然我依然愛你號）；

1艘綜合保障船（探索號）；

1艘貨運版龍飛船回收船（NRC探索號）；

2艘載人版龍飛船回收船（搜索號、領航員號）；

2艘整流罩回收船（樹女士、女酋長）；

2艘拖船（勞倫·福斯、芬恩·法格特）。

迄今為止，共進行獵鷹系列運載火箭的第一級海上回收嘗試43次，成功34次，成功率為79.1%。

小火箭覺得，海上的船和星辰大海中的飛船，都是美的。

熱愛航海的人，往往也真的會熱愛航天。

因為這種美，不是源自我們與某一事物的相互占有，而是源自一種對未知的探索熱情和對真理的本能向往。

全文結束！感謝大家！

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