SpaceX是如何变“疯狂”的

理念世界的影子©05-13

引言2024年4月，猎鹰9成功完成了第300次的一级回收任务，5月完成了连续成功300次发射，入轨任务达到300+、近年已占据全球绝大多数发射量——称之为“疯狂”的SpaceX并不为过；而在16年前的2008年8月，猎鹰9火箭刚刚进行首次全推力状态的一级9机点火试车。彼时，有关注SpaceX的人吗？有，但小众，咱们都在关注北京奥运会吧，根本上不了热搜；可能关注的人里还有一多半是在回味猎鹰1的连续...

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涡轮泵测试梅林1发动机涡轮泵在1号垂直试车台（VTS1）进行测试。图 涡轮泵测试梅林1A在1号水平试车台（HTS1）进行烧蚀冷却燃烧室测试。图 发动机测试2003年8月25日，猎鹰1（编者注：根据试验时间推断）TVC扫频测试DC-12Hz，开展推力矢量控制测试台验证试验，对电气系统/GNC系统的发动机摇摆伺服进行测试，以支持后续电气及“硬件在回路”（半实物仿真）试验。图 伺服机构测试2005年1月14日（编者注：根据视频判断），梅林1A发动机开展VTS1-135试车任务，内容为Duty Cycle测试，推力、时长按真实的猎鹰1一级飞行任务设置；并对外宣布完成梅林-1发动机的研制。图 梅林发动机试车猎鹰1开展整流罩分离试验（编者注：可旋转分离方案，区别于猎鹰9的5200整流罩平抛方案）。图 猎鹰1整流罩分离试验猎鹰1开展级间分离试验（编者注：像是和整流罩分离试验在同一个场地）。图 猎鹰1级间分离试验2005年4月1日，SpaceX宣布完成猎鹰1火箭所有主要结构鉴定和验收测试，已成功测试了猎鹰1主要结构的子系统，包括伺服、传力结构、一级贮箱总成、级间段、二级贮箱总成、仪器舱、有效载荷适配器和整流罩。级间段和整流罩分离系统也已成功进行了地面测试。2005年4月，完成箭体与发动机的集成总装。2005年5月27日，猎鹰1在范登堡SLC-3W工位进行静态点火试车，持续时间5s。图 猎鹰1静态点火2006年3月，完成Y1飞行试验，失败。2007年3月，完成Y2飞行试验，失败。梅林1C进行VTS1-323试车。图 梅林发动机试车2007年11月12日，SpaceX宣布，已在德克萨斯州麦格雷戈测试中心完成了梅林1C发动机的开发，进行了170秒的热试车，验证了最终的设计状态。发动机整个研制过程中开展了125次热试车，总时间超过3200秒，相当于近19次发射。第1台梅林1C的海平面推力43吨，真空推力49吨。计划在2009年升级涡轮泵，将使推力提高20%以上，推重比提高约25%。2008年3月1日，用于猎鹰1火箭的梅林1C发动机已完成资格测试项目，测试在得州进行。在2007年11月完成开发测试后，开始在实际生产的发动机上进行鉴定程序，验证最终设计特征，为全面投产创造条件。在一天之内完成了资格认证项目，包括四次发动机的全任务时长持续点火。单台发动机的总试车时间超过27分钟，即超过10次完整飞行。发动机满足或超过了推力、性能和耐用性的所有要求。2008年8月，完成Y3飞行试验，失败。2008年9月，完成Y4飞行试验，成功。二、猎鹰9研制历程猎鹰9研制始于2005年（公司对外官宣将替代原本的猎鹰5方案），相关研制情况如下：梅林发动机开展全节流测试（编者注：有可能是梅林1D的试验，用于猎鹰9 v1.1版及其以后的改进型号）。图 梅林发动机试车梅林-1进行VTS1-422短时单机试车。图 梅林1发动机试车1. 2007年通过关键设计审查2007年中后期，SpaceX通过了商业轨道运输服务（COTS）合同的关键设计审查（CDR），向NASA提交了486份文件，涵盖了猎鹰9/龙飞船的各个方面——设计、工程、测试、制造和飞行操作。猎鹰9项目的整体设计成熟度远超出同类产品在CDR阶段的情况：在CDR阶段之前，已在制造、组装、集成和测试等各方面开展了大量涉及实物硬件产品的工作。具体工作完成项目如下：发布了约95%的猎鹰9/Dragon图纸（实际上是3D CAD模型）；完成一子级贮箱压力和泄漏测试；完成传力结构和复合材料裙板验证测试；完成九台发动机的管路和布线工作；完全一级组装并吊装到大型测试台上；完成子级和测试台冷流测试；完成电气、数据和传感器系统完整性验证；完成梅林 1C再生冷却发动机研制，正处于鉴定阶段；完成风洞试验；进行航空电子架构开发；进行火箭三冗余、龙飞船航电系统四冗余板卡级测试，含：飞控和发动机计算机、阀门控制器、通信系统、电源、锂聚合物电池等。2. 2008年完成简易一级动力系统试车2007年中，第1个猎鹰9一子级运抵麦格雷戈测试中心。8月，将该子级竖直安装到大型的动力系统试车台上——组成三脚架+贮箱组合体，被戏称为“奔跑的贮箱”（run-tank）：图 一级起吊与试车2007年11月，进行猎鹰9一子级的首次试车，仅使用1台梅林1发动机；2008年1月18日，进行了双发试车；2008年3月8日，进行了三发试车；2008年5月29日，进行了五发试车；2008年6月30日，进行了第1次9发试验，试验总推力385.5吨；随后又进行了两次非全程时长的9发测试（含8月1日首次全推力状态）；2008年9月22日，一子级全程9发测试；2008年11月22日，一子级全程9发测试，测试关机时序设计。以下是部分试验影像记录情况：2008年1月18日，一子级进行双机点火试车，VTS3-005。图 一级双机试车2008年3月8日，猎鹰9一级三机测试，由安装在发动机舱内的摄像头近距离视角观察一级安装的3台梅林1C发动机，一子级固定在大型试车台顶部。“通过逐步增加参与试车的发动机台数，密切观察增加的发动机如何影响整个系统，确保了在接近完整的九机配置时获得尽可能多的数据和经验。”图 一级三机试车2008年5月29日，一子级进行5机点火测试，VTS3-014，发动机推力近100万磅。图 一级五机试车2008年8月1日，一子级进行9机点火测试，VTS3-018，这是首次9机完全状态的测试，采用完全状态的梅林1C发动机。总推力近83.2万磅，每秒消耗推进剂3200磅。图 一级九机试车2008年11月22日，SpaceX在麦格雷戈进行了首次猎鹰9一子级全任务剖面时长9发点火测试，VTS3-027，消耗近227吨推进剂，总推力387.8吨，工作时长178秒。9台梅林1发动机中的两台在160秒后按计划关闭，测试时序与飞行剖面相同。图 一级试车除上述试验项目外，还进行了各种“发动机停机”中止模式的模拟演示试验，以验证火箭从发动机故障中恢复并利用冗余设计继续工作的能力。在麦格雷戈进行的BFT测试（Battleship firing test）使用的是模拟贮箱与增压输送系统。在全程测试后，拆除模拟试验组件，将发动机送往卡纳维拉尔角，猎鹰9的首个一子级飞行产品预计将于2008年底抵达发射基地。该子级预计将用于同SLC40发射工位设施的联合测试，并最终进行静态点火。另一个子级预计抵达麦格雷戈进行正式资格测试。二者将选一，参加2009年猎鹰9的首飞任务（编者注：实际推迟到2010年；另可见为首飞同时准备了两发一级产品）。3. 2008~2009年开展发射场设备调试与合练2008~2009年（编者注：时间为推断结果）开展发射场设备调试与合练工作，（至少）包含了以下项目：图 地面设备测试（左：牵制释放机构，右：转运/起竖车系统）完成牵制释放机构安装调试与测试工作：采用了真实的猎鹰9传力结构，使牵制释放机构与之连接，并用起重机和气缸来模拟起飞工况；完成新型液压系统调试：该系统为RP-1推进剂增压，以支持技术区和火箭推力矢量控制（TVC）系统的发射区功能检查；完成新型液氮气化系统（用于增压、管路吹除等）和新型氦气系统（用于火箭贮箱增压、预冷和发动机启动）调试；完成液氮输送系统建设，并向发射场储罐填充4900加仑液氮；完成发射台有效载荷环境控制系统安装，旨在处理和准备发射过程中保持货物装载的舒适性；完成新型氦加注系统功能测试：在加注过程中，将猎鹰9的氦气瓶冷却至零下184摄氏度（零下300华氏度）；完成多次转运/起竖车系统测试部署，并增加加注、排放管路以及脐带支持系统；完成新型双冗余数字信息网络的安装，以支持任务操作和发射台系统；完成液流测试，验证了发射台大流量供水功能，以保障发射期间降噪和灭火需求；图 全箭起竖演练2009年1月10日，全箭在发射台进行起竖演练。4. 2009年开展首飞产品的试车考核2009年3月7日，二级梅林真空版发动机进行全任务剖面时长测试，VTS4-013，测试时长约6min。图 梅林真空版发动机试车2009年10月16日，将一子级运至在得州测试场，进行完整的检测后将其吊至72m高的测试台上，进行了两次成功的9机试车，第一次10s，3天后的第二次30s，发动机进行了摇摆测试。图 一子级试车二级火箭的相关飞行硬件产品运送至得州，开展静态加注测试，并与之前进行过试车的真空版梅林发动机进行集成。完成系统检查后，将二级吊装至新建的上面级试车台。图 二子级试车准备2009年11月15日，首次开展二级点火试车，持续40s。使用了新建的试车台，新投的飞行子级，并按预期完成测试，没有出现中止或排故后再进流程的波折。燃发器喷管（喷黑烟）在T+9s开始摆动，用于滚动控制，与猎鹰1类似。二级发动机启动时并没有与一级类似的尖锐声，这是由于采用了不同类型的启动方式。二级发动机也未安装延伸喷管，以适应地面试车的气压条件。图 二子级试车2010年1月2日，首飞二子级进行任务剖面时长的点火测试。图 二子级试车5. 2009年开展结构件/部段资格测试2009年7月，猎鹰9完成一级贮箱和级间段的资格测试：对一级贮箱和级间段进行了1.1倍最大预期工作压力（MEOP）验证试验和1.4倍破裂压力验证试验；两个结构件均取1.4的安全系数。1.4的安全系数意味着第一级贮箱和级间段可以承受飞行过程中预期140%的最大内压，并使这两种产品都符合NASA规定的载人火箭安全要求。火箭一子级在进行结构弯曲试验时也满足这一要求。结构部段测试（左：级间段+一级，右：二级+级间段）测试方案包括150多个加压循环，超过了设计生命周期数多达100个以上。此外，对一子级和级间段进行了刚度试验、最大动压载荷和主机关机条件的测试；所有试验结果和极限载荷都符合预期值。猎鹰9的一子级和级间段也通过了地面风载鉴定测试。2009年10月中下旬，完成猎鹰9二子级结构验收测试，该测试与级间段联合进行。2010年1月前，开展了大量全尺寸级间分离试验，考虑了各种载荷工况。（似乎）有两类级间分离试验，包括二级采用真实产品和模拟配重两个状态。图 级间分离试验-二级采用模拟配重将完整配置的级间段安装在猎鹰9结构测试台上，并通过一个大质量的配重来模拟二级。测试中，套筒解锁、推力器将模拟二级推向空中。（图中，靠下位置的黑色圆柱体即为猎鹰9的级间段，蓝色的圆柱体为模拟二级，采用一系列约束索和配重来捕获分离物体并防止其坠落）。图 级间分离试验-二级采用真实产品6. 2010年首飞箭进场开展工作首飞一子级在卡角厂房内进行测试准备，测试合格后与二级对接、吊装到水平转运起竖装置、转场开展静态点火试车。图 首飞火箭发射场技术区准备2010年3月，成功进行了首飞湿彩排（WDR）；4月份进行第2次湿彩排，以及电磁干扰（EMI）测试。2010年6月4日，完成Y1任务，飞行成功。7. Y2箭准备情况2010年5月，Y2箭的相关准备情况：Y2箭的最大结构件——89英尺长的第一级贮箱结构和较短的第二级贮箱——几周前离开加利福尼亚州霍桑总部，运至得州完成了验收测试；将Y2的二级贮箱结构（白色圆柱体，顶部）和测试级间段（黑色圆柱体，中间）安装到得州的结构测试台中。用低温氮气填充该级，然后在各种载荷条件下对其进行加压和测试，模拟飞行条件并获得测试数据；已完成复合材料级间段结构的初步制造，并通过了结构验收测试，在安装好气动夹头、推力器和其他支撑硬件后，将其运至卡角；9台梅林1C一级发动机正在霍桑开展最后的工作——集成到箭体尾部传力结构中，并将运往得州与一级贮箱匹配。发动机均已在得州通过了单机验收测试。完成九台发动机总成与一级贮箱结构的匹配后，将进行一级点火测试；二级的梅林真空发动机已运至得州进行发动机测试，随后与第二级贮箱对接，并将进行二级点火测试。2010年12月8日，完成Y2飞行试验，成功。8. Y3箭准备情况2010年5月，Y3箭及“龙”飞船已投产：已完成6个贮箱球底的制造（一二级各3个），并开始生产筒段部分。正在进行10台梅林发动机的投产，龙飞船压力容器的部件已成型。2012年3月，在发射场开展射前流程合练，加注真实推进剂与箭上用气，并与地面雷达系统进行联调。后续还计划开展龙飞船在射前装载补给货物的演练。图 射前流程发射场合练2011年6月28日，Y3二子级进行60s时长的动力系统试车。图 二子级试车2012年5月22日，完成Y3飞行试验，成功。9. Y3后的研制工作2012年6月26日，梅林1D发动机完成全任务剖面时长测试并在目标推力和比冲条件下完成再启动测试。工作时长185s，推力14.7万磅。图 梅林1D全任务时长试车2013年3月21日，梅林1D发动机完成飞行资格认证测试，达成了新一代梅林发动机的研制里程碑——通过了28种认证测试项目，梅林1D发动机累计试车1970s，超过任务剖面时长的10倍，完全满足飞行需要。资格认证测试包含了4次达到或超过使用条件的测试，推力、工作时间（185秒）均达到或超过猎鹰9火箭发射任务所需指标。梅林1D发动机也在推进剂入口和（最低）工作条件下进行了测试，这些条件远远超出了正常飞行条件的范围。图 梅林1D飞行认证试车测试项目证明，发动机寿命关键参数（如点火持续时间和重启能力）与发动机的飞行要求之比为4:1，行业标准是2:1。2013年5月17日，直径5200整流罩在世界最大的真空罐内（NASA格伦研究中心）完成分离试验。（编者注：整流罩平抛方案）图 整流罩分离试验2013年夏，SpaceX在NASA格伦研究中心梅花溪站的混响声学测试设施（RATF）和Plum Brook的太空动力设施（SPF）真空室完成了猎鹰9火箭5.2米整流罩的测试。测试证实，整流罩能够承受与太空旅行相关的恶劣条件。试验设施的噪声试验极限可达166分贝。图 NASA格伦研究中心RAFT测试设施2013年6月11日，首枚重复使用火箭原型机-猎鹰9R进行点火测试。时长112s。图 猎鹰9R一级试车2014年7月6日，铱通信股份有限公司（IRDM）和SpaceX宣布成功完成了铱NEXT星座的分配器资格测试。该测试计划是铱星NEXT星座建设的一个关键里程碑，包括对卫星分配器的四种测试：配合检查、分离和冲击测试、模态检测和静载荷测试。总体而言，测试确保了发射冲击环境、机械形式、配合和功能、分离动力学、基频和结构完整性。图 二代铱星分配器2017年1月14日，完成Y30任务/发射首批Iridium NEXT，成功。三、品一品猎鹰火箭的早期研制历程结合前文给出的研制情况，摘取最关键的节点，再来品一品猎鹰火箭的早期研制历程：2002年6月，SpaceX成立；2005年1月，梅林1发动机完成研制；2005年5月，猎鹰1完成静态点火；2005年9月，猎鹰9对外披露；2006年3月，猎鹰1首飞；2007年下半年，猎鹰9完成关键设计审查（CDR）；2007年11月，梅林1C完成发动机研制；（2007年8月~）2008年11月，猎鹰9完成一级9机全任务时长简易动力系统试车；2009年1月，猎鹰9完成发射场起竖合练；2009年3月，梅林真空版发动机完成试车；2009年10月，首飞箭完成一级动力系统试车；2010年1月，首飞箭完成二级全任务时长动力系统试车；2010年3月，首飞箭湿彩排（WDR）完成；4月，第2次湿彩排完成；2010年6月，猎鹰9首飞；2013年3月，梅林1D发动机完成飞行资格认证；2010年12月8日，Y2箭完成飞行;2012年5月22日，Y3箭完成飞行。猎鹰1研制耗时近4年（自公司成立起计），猎鹰9研制耗时约5年（自对外披露计），其中最让人值得品味的是做了1年3个月的一级动力系统试车试验，这一点着实将Test what u fly， fly what u test的试验充分性理念贯彻到了相当的高度——单机、双机、三机、五机、九机，一点点加码、一步一动，这甚至不完全是正式飞行产品，这么谨慎吗？这还是那个不怕炸，炸不怕的SpaceX吗？（编者注：都是星舰、超重给人留下的印象）二飞、三飞箭也都还在做一、二级的动力系统试车/静态点火，打得多了也还在做吗，每发箭一级做两次，二级做一次？太频繁了不记得了、新闻估计也不太报道了，有兴趣的可以核实一下。就记得一个倒霉的AMOS-6（Y29），在发射场带载做静点准备，结果都炸了。四、航天型号的研制阶段工业产品的开发一般可分为：规划设计阶段、设计和验证阶段、工艺验证阶段、生产和持续改善阶段。同时匹配了五大设计评审：要求评审（RR）、初步设计评审（PDR）、中期设计评审（IDR）、关键设计评审（CDR）、量产准备评审（PRR）；前文中提到2007年猎鹰9/龙飞船通过CDR评审即是其中之一。评审时间点和开发阶段对应，一般在特定阶段的工作完成后进行，包含对已完成工作的汇总、检讨和后续工作的策划。国内航天产品的研制阶段划分一般按论证阶段、方案阶段、初样、正样/试样阶段和使用改进阶段来划分。本质上是对同一事物的不同解读和处理，并无实质性差异。在各研制阶段之间的评审称为转（研制）阶段评审。以转研制阶段评审为例，按行规一般是有相对固定的套路，完全合规合标的评审，需要做的准备工作非常多——猎鹰9/龙飞船的CDR向NASA提交了486份文件、审查持续3天、在24个领域由26位负责人进行了32场答辩。研制阶段划分和组织评审的颗粒度如何把握？对于国内商业公司的产品研制，若暂无明确的甲方及要求，可根据自身情况、结合行业经验进行适当裁剪，确保切实起到承前启后的效果即可。五、快速迭代改进与试验验证北京航天试验技术研究所有一篇《SpaceX动力系统试验研发的摇篮——麦格雷戈试验基地》，介绍了SpaceX位于得州的麦格雷戈试验基地，内容很丰富：“用地租赁始于2003年……截至2015年3月，在麦格雷戈共进行了 4000 多次梅林发动机测试，其中包括约50次9台发动机并联组合的一子级点火试验……已知至少拥有16个试验台”。前文中涉及到的试车台，包括水平试车台2个：HTS1、HTS2，垂直试车台3个：VTS1（一级发动机试车）、VTS3（一级动力系统试车）、VTS4（二级真空发动机试车）（编者注：未见报道的VTS2可能是二级动力系统试车台），公开信息的各个试车台任务代号最大值：VTS1-422，VTS3-027，VTS4-014。以梅林发动机为代表的快速迭代改进，印象中有专门的文献来讲这件事，可查CNKI，此处不再赘述。在使用当代产品时、下代产品已在快马加鞭地搞测试了——梅林如此、猛禽亦是如此。在产品快速迭代中，试验验证的地位举足轻重，太多的技术状态更改需要验证：试验、试验、还是试验。这么多的试验，是自建设施划算还是租用划算？这是个问题。试验资源在未来航天大发展的历程中，必然是值得关注的重要环节。六、结束语原来“疯狂”的SpaceX，在十几年前是这般战战兢兢、谨小慎微；原来猎鹰9的动力系统试车搞了这么久、搞得这么充分，为后来300+次发射、入轨成功率超过99%打下了相当坚实的基础；原来麦格雷戈试验场的规模如此叹为观止，开展的试验数量、质量都达到了相当的高度。至于猎鹰1的连续失利，没有迹象表明是胆大冒进、试验没做充分导致的，也看不出对猎鹰9的研制有明显影响（编者注：要是第四飞挂了，则估计要另当别论），除2006年花费大量精力进行猎鹰1首飞归零外；两型猎鹰火箭的研制均有大量的试验验证做基础，也正是有SpaceX成立十年以来的研制经验打底，才能成就后来的“疯狂”。在猎鹰9还没修炼出炫酷回收技时，猛禽发动机的研制已悄然并行开展，到后来的星虫跳跃、不锈钢压力容器漏了/塌了/炸了、蒸锅/水塔频飞、星舰凌空翻转、星舰-超重助推腾空出世，那是SpaceX逐渐“疯狂”，在另一个地图上（博卡奇卡）打怪升级的故事了。本文来自微信公众号：理念世界的影子（ID：spaceodyssey1968），作者：狼牙风风","kind":null,"is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":null,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":0,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko; compatible; ClaudeBot/1.0; +claudebot@anthropic.com)","isDev":false,"isTTM":false,"deviceId":"web-server-community-laohu8-v3","version":"4.25.1","shortVersion":"4.25.1","platform":"web","vendor":"web","appName":"laohu8","isIOS":false,"isAndroid":false,"isTiger":false,"isTHS":false,"isWeiXin":false,"isWeiXinMini":false,"isWeiBo":false,"isQQ":false,"isBaiduSwan":false,"isBaiduBox":false,"isDingTalk":false,"isToutiao":false,"isOnePlus":false,"isHuaWei":false,"isXiaomi":false,"isXiaomiWebView":false,"isOppo":false,"isVivo":false,"isSamsung":false,"isMobile":false},"href":"/m/news/2435934703"}