Spacex星際飛船的變遷史，馬斯克的星艦是怎麼來的（三）?

（……續上）

第5版（火星殖民運輸車2015年10月）

2015年1月，SpaceX公司改變了方向，突然將猛禽發動機的推力調低至2256千牛（507100磅力），不過除了會有很多發動機外，沒有提及火箭整體推力或設計的變化。
SpaceX最初的手繪草圖之一是一個簡單的15米寬的太空艙，有15個猛禽引擎，每個引擎都有一個2.89米（9.5英尺）的噴嘴。貨物和船員會坐在推進劑罐下面。一個直徑13米的球形液氧罐放在鼻子裡，下面是液態甲烷罐。它將進入一個行星的大氣層，它的所有後繼者也會。這是因為側入式具有良好的進入、下降和著陸（EDL）性能，而密封艙進入使得保護髮動機不受再入發熱的影響非常具有挑戰性。

星際飛船概念圖

SpaceX公司最終拒絕了最初的太空艙設計，因為它要求通過載人區域的補給線更長，質量更高，乘員環境更惡劣。接下來，該公司考慮了不少於四個上層變型，每一個都有小型球形集箱用於著陸。這將有助於飛船避免在高g下降時由於推進劑晃動而熄火。從那時起，每一個已知的上層變型都提到了擁有這些球形集箱的可能性。
考慮的第一個上級變型是一個直徑15米（49.2英尺）的太空飛行器，由15個猛禽發動機提供動力。猛禽引擎將環繞飛船底部，每個引擎向外傾斜15度。
推進劑罐將從上到下填滿載具的中心。液氧罐將位於液態甲烷罐的頂部，並完全填滿飛船的鼻錐。第二個貨艙區域將環繞著車輛氧氣罐的底部，並將乘員與氧氣罐分開。反過來，船員們將被安置在一個環形的壓力容器裡，這個容器包圍著甲烷罐的上半部分。

星際飛船內部概念圖

主貨艙就在船員的正下方，包圍著甲烷罐的下半部分，一根氧氣發射管將穿過甲烷罐。「猛禽」的引擎應該安置在主貨艙下面。甲烷罐在到達星際飛船基地之前就已經結束了，在猛禽發動機環之間留下了一個相對空的結構區域。
第二種型號的特點是三個猛禽發動機排列在一個由12個引擎組成的外圈之間，呈三角形排列。這個變種的鼻錐也有氧氣罐。然而，它的甲烷罐只有星際飛船的寬度，還有一根氧氣管穿過它。這種設計的推進劑罐佔用的垂直空間要小得多，儘管它比先前的改型要高。
一對推進劑管道穿過主貨艙，佔據了第二種型號的大部分長度。一個甜甜圈形狀的船員壓力容器將被安置在主貨物區的上半部分之外。一個小的次級貨艙區將把船員和上面的推進劑罐分開。主貨物區將位於基地，佔據整個星際飛船的寬度。
第三個變體在布局上與第二個變體相似，但是更窄更高。它有五個中央安裝的猛禽發動機，五邊形，由10架猛禽組成一個環。

科幻片中的飛船內部

早期星際飛船的第四種變體比第三種更高更窄。這個版本是唯一一個在星際飛船基地放置推進劑罐的版本。甲烷和氧氣罐都佔據了車輛的寬度，氧氣推進管也穿過甲烷罐。主貨物區位於氧氣罐上方，並分布在車輛的整個寬度上。乘員艙位於這上面，也構成了整個車輛的寬度。二級貨艙位於機頭上方。
到2015年7月25日SpaceX召開MCT設計會議時，設計已經進一步發展。馬斯克在會上指出，設計必須比「龍」號更有效率，他希望所有乘客都能有遊輪式的私人艙室或集體艙室，並將其比作遊艇而不是小艇。他們決定在助推器和飛船之間有一個類似的結構。
這次會議還首次提到了一艘油輪，進行了三次飛行以完全填滿MCT。MCT將配備大型門，將貨物和船員運送到水面。其他的設計元素也被提到，比如一個900噸的潛在球形甲烷罐。除了發動機之外，最根本的變化是推進劑罐材料的改變。

儲罐

每一個推進劑罐將是一個無襯裡的複合材料單體罐，由800帕斯卡（6託）強度的氣凝膠絕緣。氣凝膠可能具有內部結構以分擔負載。在1.7巴（25磅/平方英寸）的空氣壓下，這些燃料箱將由其推進劑的氣體形式自動加壓，SpaceX的工程師發現這在提高可靠性和增加質量之間提供了一個很好的折衷方案。
鋰鋁合金罐被發現在這些規模下，當自動加壓時是低效的，因為他們必須加強以防屈曲。碳纖維油箱提供了比鋁合金更大的幾何剛度，使得相同尺寸的車輛質量更低。
馬斯克甚至提到他希望將熱保護系統（TPS）和結構結合起來以節省質量。這預示著SpaceX最終決定在整個設計中使用碳纖維。這主要是因為它的低熱膨脹係數使得SpaceX能夠將飛船的隔熱罩直接連接到結構上，從而可能節省更多的質量。
2015年10月，NSF進一步了解了馬斯克的計劃。MCT將是一個180米（590.6英尺）高的單杆設計，直徑12米。

火星車

2015年10月，NSF進一步了解了馬斯克的計劃。MCT將是一個180米（590.6英尺）高的單杆設計，直徑12米（39.4英尺），質量4724噸，一艘1125噸的宇宙飛船安裝在3599噸的助推器上。它將以62223千牛（13998300磅）的推力從27架猛禽發動機發射升空，並能重複使用236噸的升力到獅子座。這相當於一架滿載的空客A330-200F貨機。令人驚訝的是，它還將使其可重複使用的版本成為世界上效率最高的運載火箭，其有效載荷相當於發射質量的4.99%。
MCT宇宙飛船和油輪將長60米，是垂直著陸的升降機構設計，能夠對接和輸送推進劑。兩者都將採用pica3.0燒蝕材料的TPS。核心級與宇宙飛船/油輪級的推力比很低，只有5:1，而大多數火箭的推力比為8:1或更高。專家們意識到這艘太空船上有五個真空引擎。在這個時候，上層也可能有三個中央安裝的猛禽著陸引擎。

馬斯克和馬雲

MCT飛船本身將有一個大型的居住區，上面安裝有一套船員艙。為了運載貨物，飛船將在猛禽發動機上方安裝一個較低的貨艙，發動機通過一對穿過貨艙的中央管供給。這種布局可以方便地卸載重型貨物，如車輛或核反應堆。這艘飛船和它的油輪將由五個可伸縮的著陸腿支撐，它們不會像獵鷹9號的腿那樣向下摺疊。令人驚訝的是，飛船上沒有發射中止系統（LAS）的計劃。
該計劃的概要提到了180米的高度，這可能已經過時了，因為火箭的推力決定了一個更短的飛行器，大約105米。

第6版（火星殖民運輸車2016年2月）

2015年後，SpaceX進一步改進了上層設計。最重的型號被評估為80.7噸，其特徵是在機頭、機組人員下方安裝了推進劑罐，主要貨物區域就在發動機上方。第二個最重的變型為79.8噸，上面有乘員艙，基地有主貨艙，中間還有推進劑罐。選擇的變型是73.3噸，上面是機組人員，中間是貨物區，基地是推進劑罐。它犧牲了著陸和貨物卸載的便利性來改進delta-v，這對從火星返回地球至關重要。

星際飛船

到2016年2月，該公司已將MCT改進為更大的~5400噸、高81米（265.7英尺）、直徑12米（39.4英尺）的設計，推力約為土星五號的2.4倍。它將完全由碳纖維製成，頂部是41米（134.5英尺）高的MCT，九個猛禽發動機（6個真空和3個著陸），燃料為1450噸發射藥。下面是一個40米（131.2英尺）高的助推器，裝有42臺猛禽發動機，攜帶3650噸推進劑，氧/燃料比為3.58。
猛禽發動機的推力縮小了13%至1961千牛（440850磅），導致助推器產生了82362千牛（1851.57萬磅力）的推力，比以前增加了32.4%。它將在發射臺附近著陸，而不是在海上，通過由熱空燃氣體和柵格翼驅動的推進器組合。
SpaceX計劃將助推器、加油機和飛船分別重複使用1000次、100次和12次，而飛船的再利用在其進入地球軌道的過程中所承受的巨大熱量嚴重受限。MCT油輪明顯不同於MCT船，它的超大容量為1650噸，而只有27米（88.6英尺）。作為以後高超音速飛行計劃的可能先驅，SpaceX公司考慮將地球上升油輪演示為單級入軌（SSTO）飛行器，噴嘴尺寸減小，推進劑裝載量為540噸。
真空版的猛禽發動機長5.5米（18英尺），直徑3.8米（12.5英尺），而著陸發動機猛禽則要小得多。為引擎提供動力的是在發射前冷卻到-212攝氏度（-350華氏度）和-178攝氏度（-288華氏度）的液態氧和甲烷。在上一級變型上，所有九個引擎都會在級後分離後發射，以儘量減少重力損失，當著陸引擎不再有用時會關閉。一旦進入軌道，油輪和飛船將通過旋轉和壓力輔助裝置使燃料箱沉降，從而停靠和轉移推進劑。

馬斯克

這艘船的特色是在氧氣罐的上邊緣周圍儲存水、鹽水等。非增壓貨艙在這個倉庫的上方，它將有兩個3米高的甲板，由一根中心立柱支撐。該區域將包括電力系統、熱系統、未部署的太陽能電池陣列、散熱器、生命保障、空氣處理、儲存和航空電子設備。根據最低空間自由返回標準（每人15.1立方米），它將有足夠的空間搭載73人進行為期兩年的火星自由返回飛行。
SpaceX將用一個大貨艙門和一個龍門起重機來彌補這種布局的低劣卸載特性，用於將重型貨物運下火星。機組人員將能夠從1100立方米的加壓艙通過出口管道到達火星。加壓部分可以通過連接到對接埠的氣閘進入。它將具有與貨艙相同的中央支撐柱。共有四層，其中三層2.5米（8.2英尺）高，為船員提供食物和住宿，還有一個更大的頂層。

龍門吊

這一層包括船員餐廳和發射/著陸座位。飛行器的機頭裝有控制推進器，以控制它的精細運動。變化的一個因素是油輪和輪船的可伸縮支腿，其中有五個將在尺寸和耐用性上進行重大升級。
當SpaceX致力於全碳纖維設計時，其工程師們注意到波音787的碳纖維機身部件所帶來的巨大製造挑戰。其他值得注意的問題包括碳纖維相對於金屬設計的損傷容限有所降低，SpaceX曾希望通過更厚的層壓板來解決這一問題。它正在研究芯材與加筋板複合材料結構。前者將允許在設計中進行吹掃和隔熱，而後者則允許採用可共同粘結的加筋板結構。
計劃是，車輛複合材料截面的製造流程將從用於製造截面的裸工具開始。接下來，將創建一個推進劑罐筒末端形狀的內面板。
推進劑罐的複合材料製造將以自動鋪帶和/或自動纖維放置為特色。然後加上一個帶支撐的過渡環。接下來，將添加核心結構，然後添加外部面板。
在取下工具之前，將結構裝袋固化。第二個組合截面將疊放在這一個上面。一個搭接接頭將被用來將兩個部分連接在一起，完成兩組推進劑罐。
SpaceX早在2016年就估計，他們可以建造當時的MCT助推器，只需三個複合材料部分加上一個中間階段。僅建造助推器，公司工程師估計碳排放率為每月16-20噸。相比之下，四段式助推器+級間增壓器需要一個碳沉積率為8-11噸的工具。然而，它需要一個額外的拼接接頭和一噸的額外質量。

星艦最新進展

正在對這艘船和油輪的TPS進行嚴格評估。當SpaceX決定最初73.3噸的MCT版本時，其工程師估計它需要大約18噸的燒蝕PICA熱屏蔽。這意味著大約四分之一的車輛質量將完全用於TPS。這將削弱碳纖維的質量優勢。
SpaceX的工程師們也在尋找降低TPS成本的方法。在火星往返飛行期間，多個大氣入口的壓力將需要整修整個TPS。為了提高可重複使用性，在兩次飛行之間降低油船TPS的翻新成本也有類似的擔憂。（未完待續……）

註：本文從轉載網上翻譯的NSF最新文章，對原翻譯的部分句子或者詞語做了修改，原文作者是菲利普·蓋納。