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Elon Musk的火星之路(第二季):行星际运输船(BFR/ITS)

发布者: cmj9808 | 发布时间: 2016-10-9 18:52| 查看数: 69634| 评论数: 1808|帖子模式

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【任务方案】

Elon Musk在IAC2016公布了其宏大的火星殖民计划,其核心是被称作“Interplanetary Transport Ship(ITS)/行星级运输船”的一站式运输系统,包括起飞级和飞船两个核心部件。起飞级为助推火箭(booster),负责将飞船送出大气层,飞船分离后起飞级返回并在发射台着陆,计划复用1000次;飞船分客货两种,其中客船(ship)由位于上方的居住舱和位于下方的推进舱组成,兼做上面级/地球出发级、巡航段居住舱、火星着陆器、火星居住舱、火星上升器/火星出发级和地球着陆器;货船(tanker)则在地球轨道与客运版对接并加注推进剂,随后返回发射场着陆,客运版和货运版飞船分别计划复用12次和100次。
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ITS高122米,直径12米,起飞重量10,500吨,超过了一艘最新型伯克级Flight III的满载排水量,起飞推力13,033吨,起飞重量和推力均为Saturn V的约3.5倍,ITS的起飞级和飞船均由碳纤维增强材料制成,所需的碳纤维由日本东丽公司提供,共底储箱,使用预冷的液氧和甲烷作为推进剂,自生增压,LEO运力为550吨/300吨(一次性/复用),超过Saturn V的4倍。
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ITS全箭使用51台全流量分级燃烧循环的Raptor引擎,其中起飞级按21-14-7三层环形分布42台引擎,位于外围的35台为固定喷管,以便更紧密的布置,中央的7台为摆动喷管,负责在起飞和着陆时提供姿态控制,得益于碳纤维增强材料箭体,自生增压系统和高性能的引擎,使用低密度的液氧甲烷推进剂的起飞级干质比仍可达到25+;飞船则按6+3环形分布9台引擎,其中外围的6台为大直径固定喷管的真空版引擎,用于真空和火星稀薄大气中推进,中央3台为普通版摆动喷管引擎,主要用于地球着陆,同时兼做真空环境下的姿态控制。借助推进剂在轨加注,飞船每次可将450吨载荷送上火星表面。
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为缩短旅行时间,ITS并未采用传统的霍曼转移轨道,TMI=6km/s,平均航渡时间为115天,飞船仍然使用PICA热护盾,火星和地球EDLS为高升阻比升力再入+反推着陆,再入速度分别为8.5km/s和12.5km/s
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Photo credit: Elon Musk @IAC2016
附注:
第一季地址:Elon Musk的野望:Raptor引擎与MCT火星殖民船



最新评论

cmj9808 发表于 2016-10-9 18:52
本帖最后由 cmj9808 于 2016-10-11 12:52 编辑

【项目进展】SpaceX在ITS项目上采用了相当激进的策略,包括液氧甲烷推进剂组合,自生增压系统,室压高达30MPa的全流量分级燃烧(FFSC)引擎和碳纤维增强复合材料(CFRP)箭体。虽然其中任一项都已有先例,却鲜有成功的范本,在技术上构成相当的挑战。本楼将记录ITS项目的工程进展并随时更新。

1)Raptor引擎
SpaceX于2013年底开始改装Stennis的E2测试台,并于次年4月21日改装完毕,开始液氧甲烷引擎Raptor的部件测试。由于彼时ITS的方案尚未定型,加之E2测试台的限制,测试版引擎为推力100吨/1MN/225klbf的Raptor缩比引擎。2016年8月8日,首台完成组装的测试版引擎离开Hawthorne的工厂前往Mcgregor测试场,并于9月26日完成首次点火。非常少见的是raptor的首次整机热试车就是时长9秒的全推力测试,而非通常检验点火程序的瞬时点火。

根据SpaceX与USAF的合同,测试版引擎将用于未知液氧甲烷上面级,研发经费的1/3来自USAF资助,由于其为Raptor的缩比引擎,测试版引擎喷管将使用150:1膨胀比的喷管,而非真空版Raptor的200:1膨胀比喷管。此外,测试版引擎的40%(按重量计)是由3-D打印而成,这也表明SpaceX在航天3-D打印技术上已处于领先位置。
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2)碳纤维增强复合材料箭体
SpaceX出人意料的放弃了Falcon 9的Al-li 2195铝锂合金箭体,转而在ITS上使用碳纤维增强(CFRP)箭体。X-33的外形复杂的CFRP氢箱未通过低温测试,被认为是导致该项目下马的直接原因。得益于技术的进步和传统的外形,波音公司为星座计划制造的5.5米直径CFRP试验型氢箱顺利通过低温测试,相对于传统铝制箱体,CFRP箱体可减重约1/3。由于ITS庞大的规模,如何有效降低箭体的干重成为SpaceX亟需解决的难题,在波音的成功的鼓舞下,SpaceX秘密开始CFRP箱体的开发,直到2016年8月东丽公司的财报公布了SpaceX与东丽签署的数额巨大的碳纤维供货合同才引起少数爱好者的注意。
Musk在IAC2016上展示的CFRP试验箱体为12米直径,这是航天史上最大直径的CFRP箱体,但其减重效果如何还要等低温试验结束后才知道。
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Ref:
ITS Propulsion – The evolution of the SpaceX Raptor engine
Elon Musk@ IAC2016

cmj9808 发表于 2016-10-9 18:53
本帖最后由 cmj9808 于 2016-10-9 20:40 编辑

【ITS相关参数】

Raptor(sea-level),2016Raptor(vacuum),2016Raptor(scaled),2016
推力/Thrust,sea-level(mt/kN)311/3050/
推力/Thrust,vacuum(mt/kN)357/3500102/1000
比冲/Isp,sea-level(s)334/
比冲/Isp,vacuum(s)361382
室压/Chamber pressure(MPa)303030
膨胀比/Area ratio40200150
节流能力/Throttle capability20-100%
重量/Weight(kg)
推重比/Thrust/Weight
StdNormDist 发表于 2016-10-9 18:57
Elon Musk的火星之路(第二季)?能否在1楼给个第一季的链接?
hkhtg090201 发表于 2016-10-9 19:24
感谢C版梳理.前楼排队.
跆拳道大灰狼 发表于 2016-10-9 19:26
本帖最后由 跆拳道大灰狼 于 2016-10-9 19:28 编辑

第二季开啦,过来踩踩,哇咔咔。
就着上季一个问题,有关卸货的问题老马有过回复,没什么黑科技,就是简单粗暴的crane起重机,搞不好就是个电动葫芦。
另外感觉大家对去了火星后干啥超感兴趣,但是我觉得ITS上还有很多坑都没解决。比如货舱加压否,是否允许深空飞行中EVA在轨维修,居住空间怎么样,逃生系统咋搞,备品备件带多少,发生泄露后是否有内部密闭隔舱等等!有知道的可以介绍下。
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BigFkingRocket 发表于 2016-10-9 19:41
支持!!!!!希望尽快看到老马的切实行动!给大家带来惊喜连连!!!
BigFkingRocket 发表于 2016-10-9 19:42
忘记重型猎鹰吧,由于猛禽的成功,我更希望看到老马淘汰重型猎鹰和猎鹰9,开发新的重型火箭!反正甲烷也不贵,保证安全反场才是关键!
Palpatine 发表于 2016-10-9 21:11
跆拳道大灰狼 发表于 2016-10-9 19:26
第二季开啦,过来踩踩,哇咔咔。
就着上季一个问题,有关卸货的问题老马有过回复,没什么黑科技,就是简单 ...

我覺得airlock肯定會有,因為不可能一到火星就飛船降壓一天造好氣密房屋。那麼eva就只要帶兩套eva設備就好了,重要性遠超這點重量。
jisuluntan 发表于 2016-10-9 21:46
ITS在2020前都看不到啥大进展,spacex的任务太忙了。
StdNormDist 发表于 2016-10-9 23:18
TMI DELTA-V: 6km/s
TMI是什么?

做了个验证:
如果航行时间是115天,并假设从200km高度的圆轨道出发,沿地球的公转速度的方向离开地球,那么从地球的出发速度为12.461km/s(小于PPT所示的12.5km/s),出发C3=33.934km^2/s^2,到达火星时相对于火星的速度为11.645km/s(假设近火点高度为0.1R, 338.95km),减速至338.95km高度的圆轨道需要Δv=8.256km/s(小于PPT所示的8.5km/s)。
自由狼-台风 发表于 2016-10-9 23:55
为什么进火星大气层的时候 g 会那么高?
joki 发表于 2016-10-10 08:02
跆拳道大灰狼 发表于 2016-10-9 19:26
第二季开啦,过来踩踩,哇咔咔。
就着上季一个问题,有关卸货的问题老马有过回复,没什么黑科技,就是简单 ...

这个设计最大问题是,估计没办法送个整体的大尺寸居住舱过去。吊卸只适合一些小尺寸设备。
祖布林是设想随着任务次数增加,每次都留个居住舱和一堆设备、车辆下来,逐渐形成一个基地。Musk这是打算上去直接手工建造么,步子迈的有点大。
joki 发表于 2016-10-10 08:41
StdNormDist 发表于 2016-10-9 23:18
TMI DELTA-V: 6km/s
TMI是什么?

115天是平均数,PPT里列表具体年份差异很大。如果估算,恐怕得按某个具体年份来估才准确。
另外,ITS是直接再入火星大气层然后着陆,不进入环火星轨道。
topzdx 发表于 2016-10-10 09:31
joki 发表于 2016-10-10 08:41
115天是平均数,PPT里列表具体年份差异很大。如果估算,恐怕得按某个具体年份来估才准确。
另外,ITS是 ...

“ITS是直接再入火星大气层然后着陆,不进入环火星轨道。”
SPX没说 火星中继 和 GPS星座的事? 带几个微、小卫星进入火星引力范围后脱离自行入圆轨可否?(或提前分离电推入轨)
GPS 可暂缓,通讯最好要有新的激光通信卫星
joki 发表于 2016-10-10 09:37
topzdx 发表于 2016-10-10 09:31
“ITS是直接再入火星大气层然后着陆,不进入环火星轨道。”
SPX没说 火星中继 和 GPS星座的事? 带几个 ...

完全没提,估计借用NASA或者别家搞吧。
动力制动进入环火星轨道,所需Dv不是小卫星能提供的,得有大型制动模块。
跆拳道大灰狼 发表于 2016-10-10 10:02
Palpatine 发表于 2016-10-9 21:11
我覺得airlock肯定會有,因為不可能一到火星就飛船降壓一天造好氣密房屋。那麼eva就只要帶兩套eva設備就 ...

是的,气闸舱肯定要有,但是不知道是标准的类似IDA的对接口还是重新设计的,而且应该是不止一个,在火星上卸货或者大型设备进出的话,IDA的尺寸很可能就不够了,而且气闸舱的体积也要大幅度加大了。这是人类航天史上第一次有这么充足的空间来布置一个飞船,想象到之前的飞船连腰都直不起来,到ITS这种初级版本的星舰,想想都激动。。。
☆温内图☆ 发表于 2016-10-10 10:04
BigFkingRocket 发表于 2016-10-9 20:42
忘记重型猎鹰吧,由于猛禽的成功,我更希望看到老马淘汰重型猎鹰和猎鹰9,开发新的重型火箭!反正甲烷也不 ...

一个还在地上趴着的发动机刚刚进行了点火测试就叫做成功?
马粉的智商什么时候这么低了?
你们嘴里的重型猎鹰还在地上趴着呢
吹也有个限度
跆拳道大灰狼 发表于 2016-10-10 10:12
joki 发表于 2016-10-10 08:02
这个设计最大问题是,估计没办法送个整体的大尺寸居住舱过去。吊卸只适合一些小尺寸设备。
祖布林是设想 ...

你说的国外网友有考虑过,所以你仔细看我发的那张图,货舱可能是非加压的,这样货舱舱门在无热盾的那一面就可以做得很大,可以进出更大的货物,居住的话方法很多,初期探索甚至可以在飞船上将就一下,毕竟早期乘组很可能只有十几个人,老马也说过。

因为国外网友设想为了安全起见。可以ITS在无人状态在轨加注,加注完成后由1-2艘载人龙飞船对接输送船员,这也是一个很合理的思路,毕竟带人大规模在轨加注是有风险的。
joki 发表于 2016-10-10 10:19
本帖最后由 joki 于 2016-10-10 10:21 编辑
跆拳道大灰狼 发表于 2016-10-10 10:12
你说的国外网友有考虑过,所以你仔细看我发的那张图,货舱可能是非加压的,这样货舱舱门在无热盾的那一面 ...

出发点不同,居住舱是为了将来连成基地。ITS总是整体来回,只能留下一些零碎,要想建基地必须就地“大兴土木”。
看了你那个图,就算能全开舱门,也有限,起码高度就不大。类似祖布林那样8米直径、6米高的大型居住舱,肯定没法运。不过现在还在方案阶段,以后谁知道呢,没准搞个一次性货运型。

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