SpaceX发射Starlink第二批60颗星相关技术深度解析

发布日期：2019-11-13　　　　作者：苏南

　　

　　本文内容涉及下列关键词：默林发动机、最大动压、自主防撞系统
　
　　Key Words in this article: Merlin engine, Max-Q, Autonomous collision avoidance

　　2019年11月11日，SpaceX公司将第二批60颗Starlink卫星送入太空。让我们从整个发射过程回顾一下SpaceX公司火箭和卫星的情况和技术。
　　A．重复使用的一级助推器。此次执行运载任务的是猎鹰9号火箭(Falcon 9)，这是一个两级火箭，它的第一级助推器代号B1048是第4次重复使用。这个助推器前三次分别被用来发射过铱星Iridium Next-7、SAOCOM 1A和PSN 6卫星。
　　

　　B.备受争议的默林发动机。猎鹰9号火箭第一级配备9台默林(Merlin Engine)发动机，第二级火箭配备1台梅林真空(Merlin Vac)发动机。默林发动机采用高度精炼的煤油RP-1和液氧作为燃料，大大降低了燃料成本。推进剂通过一个涡轮泵输出，进入燃烧室。同时，涡轮泵也提供高压液体驱动液压控制器，之后进入低压燃料入口。这样排除了对独立的液压动力系统的依赖，这意味着不会出现由于液压耗尽而失去对推力方向的控制。涡轮泵的第三个用处是提供侧向推力来控制火箭自旋。这样在降低成本的同时也增加了发动机的控制能力。
　　

　　C.重复使用的整流罩。整流罩也是可以重复使用的，整流罩长13米，直径5.2米，重1.9吨，由碳钎维表层和蜂窝状铝结构组成。整流罩在起飞和飞行过程中保护内部60颗卫星免受气流的冲击并减少震动的影响。此整流罩之前用于猎鹰9重型火箭发射阿联酋Arabsat-6A通信卫星。
　　

　　D.廉价的火箭燃料。猎鹰9号燃料加注是在发射器一小时内进行的。发射前时序如下：
　　●　前60分钟：工程师确认火箭状态正常；
　　●　前38分钟：开始加注一二级火箭的高纯度煤油RP-1燃料；
　　●　前35分钟：开始加注液氧氧化剂；
　　●　前7分钟：小剂量释放液氧至默林发动机，以减小对整个系统的震动；
　　●　前4.5分钟：塔架固定装置分离；
　　●　前3分钟：一级火箭完成燃料加注；
　　●　前2分钟：二级火箭完成燃料加注；
　　●　前1分钟：内部飞行计算机接替外部设备开始工作。
　　
　　E.发射过程最大动压Max-Q。最大动压是个流体力学的概念，当物体高速运动时，当地的速度v和空气的密度ρ不同对物体产生的动态压力。动态压力q在数学上定义为：

　　随着火箭速度的不断增加，大气密度随高度缓慢的减小，在飞行高度13到14km之间，离发射时间1分钟左右，动压达到最大值，也就是Max-Q。火箭的设计要确保结构的刚性能够确保能够承受最大动压的影响。
　　
　　F.多星部署。离发射1小时左右，一二级火箭将60颗星送至300km左右高度，一次性进行星箭分离。 　　一次性释放的60颗卫星可能会相互碰撞，但良好的结构设计使其能够经受住小的碰撞。并通过自身推进系统最终部署在550km高度的近地轨道。
　　
　　G.离轨装置。收到空间环境保护协定的约束。任何国家和个人发射的航天器都要尽可能的减少太空垃圾的产生。SpaceX发射大量Starlink卫星，如果不对失效的卫星和寿命终结的卫星进行离轨控制，将产生大量滞留太空的废弃物。Starlink在设计上也增加了离轨设计。当卫星寿命快终结时，离子发动机将工作反推降低速度和轨道，让卫星很快坠入大气层。卫星的结构设计也考虑了这些问题，确保进入大气层能够迅速燃烧分解成为符合安全标准的细小颗粒，不会对地面造成威胁。
　　但即便有这些设计，如果卫星发生故障与地面失去联系，离轨装置不产生作用，就只能靠自身阻力缓慢降低轨道并再入大气层，这个过程可能需要一年或者更长的时间。
　　另外SpaceX为了降低成本，离子发动机燃料选择了氪离子，而不是氙离子。氪在淘宝上价格可以低到20块人民币/千克。而氙的市场价格大约为8000~9000人民币/千克。所以SpaceX为商业航天降低成本做出了很多开创性的研究。Starlink也是第一家使用氪离子发动机作为推进系统的卫星。
　　

　　
　　H.主动碰撞规避系统。如此众多的卫星发射到太空中，为避免和其他卫星、碎片或者自身星座卫星发生碰撞，必须要有一套防碰撞系统。之前传统的卫星测控体系都有由地面测量、计算、发现碰撞威胁，上注卫星指令、卫星被动变轨完成。在现在软件定义卫星的趋势下，这些功能应该由星上自主完成，能够减低地面测控的压力和困难，减少地面人为错误操作。SpaceX通过其所获取的碎片和卫星数据，定期上注卫星。Starlink卫星自主计算碰撞，驱动姿控系统、推进发动机进行主动规避，提供了一个更可靠的防撞解决方案。Starlink也是第一个在卫星上部署主动自治防撞系统的卫星。
　　
　　I.太空网自治碰撞规避系统。无独有偶，太空网ViaSpace也在过去的一段时间内，进行了星上自治防撞系统的研发，而且已经完成星上硬件的设计和软件的测试。我们的设计理念也跟SpaceX不谋而合。系统框架如下所示：
　　

　　更多详情请点击查看->Starlink卫星星座情况。
　　

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