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[Jun 13, 2010]

應用科學:Falcon 9 運載火箭處女航


編輯 HCC 報導

SpaceX 鷹隼9號(Falcon 9)火箭於美東時間6月4日自佛羅里達州Canaveral角順利升空,9分鐘後進入軌道。火箭裝載SpaceX龍級太空艙Dragon capsule實體模型,龍級太空艙未來擬運載太空人與貨物進入軌道。

NASA Administrator Charles Bolden認為Falcon 9的發射給予NASA更進一步的信心,在太空梭艦隊退休後,能獲得再補給太空載具。

依據NewScientist的報導,商業火箭在未來NASA載人太空飛行任務計畫上的角色面臨爭議,而SpaceX一直是此爭論的焦點,批評者認為私人公司載將太空人安全送入軌道上,並未能準備妥當。SpaceX則認為Falcon運載火箭系列在可靠度、成本、飛行環境與發射備便時間的設計上,均提供了突破性的進展,可靠度為其基本設計原動力。

Falcon 計畫目標在設計階段,硬體尚未進入測試之前,即以最大整體可靠度概念進行設計。所以於總體設計上,捨棄加掛式推進器(Strap-on Booster)設計方式,採用單節脫離設計,以降低失效機率。並使用雙重點火分離爆炸螺栓(dual initiated separation bolts)以及氣壓推動器進行脫節動作。

在結構設計、材料與製造工程方面,Falcon 9第一節包含鋁鋰合金(aluminum lithium alloy) 燃料槽;對九具引擎提供固裝點,同時作為引擎至推力裙部(thrust skirt)負荷傳遞路徑的鋁質固定格框(aluminum thrust frame);以碳纖表皮、蜂巢式鋁合金心材組成的複材推力裙部,裙部結構將來自固定格框的負荷傳遞至燃料槽。

燃料槽以硬殼結構(monocoque)、蒙皮(skin)與桁條(stringer)組合進行設計,並以2198鋁鋰合金為結構材料,作為主要承受負荷結構。燃料槽以焊接強度最高的摩擦攪拌銲(friction stir welding)技術進行焊接。連結第一節與第二節的級間結構(interstage) 以碳纖、鋁合金心材複材製造。

在引擎可靠度方面,Falcon 9於第一節具備九具Merlin引擎,此引擎架構為阿波羅計畫土星五型(Saturn V) 火箭與土星一型(Saturn I) 火箭架構的提昇型,土星一型(Saturn I) 火箭於第一節使用八具Rocketdyne公司 H-1 引擎,土星五型火箭於第一節則使用五具F-1引擎。此種引擎架構讓土星火箭計劃保持零缺點飛行紀錄。

於發射設備可靠度上,SpaceX特別設計火箭釋放前抓住系統(hold-before-release system),於第一節引擎啟動後,此系統會抓住火箭不放,直到推進系統、載具系統確認正常操作之後,才將火箭自發射台釋放。

在航電設備可靠度上,Falcon 9 具備三套備份飛行電腦與慣性導航系統,以及GPS覆蓋系統(GPS overlay)以得到額外的軌道進入精確度(orbit insertion accuracy)。

依據SpaceX的報導,NASA對SpaceX若干強項表示認同,例如第一節引擎故障維持任務執行的能力;雙套備份航電系統;超越業界規範的結構安全係數;計畫排程執行效率的提升;降低國際太空站後勤支援的總體技術風險。

SpaceX對Falcon 9運載火箭的結構安全係數要求嚴格。例如第一節燃料槽與級間結構(interstage)硬體以最大預期操作壓力(MEOP)的1.1倍壓力進行結構驗證實驗,以MEOP的1.4倍壓力進行結構破壞實驗。1.4倍安全係數表示第一節燃料槽與級間結構能承受飛行過程中最大內壓力的140%。SpaceX對上述兩件結構硬體進行驗證,滿足NASA定義的適人性安全規範(human rating safety requirements)。

Falcon 9第一節結構在進行結構撓曲試驗(structural bending tests)時,也通過了此適人性測試的里程碑。試驗範圍包含超過150次的加壓循環(pressurization cycles)測試,超過所需壽限循環100次以上。除此之外,第一節燃料槽與級間結構也進行過勁度試驗、最大動壓負荷試驗、主引擎熄火(main engine cutoff)測試,地面風場合格性測試(ground wind qualification tests)。

受到Falcon 9發射成功的鼓舞,SpaceX CEO Elon Musk 希望試圖說服NASA將表訂的第二次與第三次國際太空站貨運飛行實驗合併。NASA商用軌道運輸服務計劃的首次飛行驗證預劃於2010年夏天進行。

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