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“奥德修斯号”以更安全廉价的低温液氧和液态甲烷推进技术开辟了探月新道路

2024-3-1 26 3/1

直觉机器公司(Intuitive Machines)的首个月球着陆器“奥德修斯号”在月球上停留七天后,今天正式失去动力,与地球失去联系。该着陆器创造了历史,因为它是自 1972 年以来第一个到达月球表面的美国硬件,也是第一个在月球上着陆的私人制造的航天器。但是,这个名为奥德修斯的着陆器将因另一个原因而被铭记:它的推进系统。

“奥德修斯号”以更安全廉价的低温液氧和液态甲烷推进技术开辟了探月新道路

该推进系统结合使用低温液氧和液态甲烷,可以释放出新的太空能力,并降低其他商业供应商未来任务的风险。

在直觉机器公司的 IM-1 号任务之前,还没有着陆器使用过这种推进剂组合。如果它们听起来耳熟,那是因为它们被用于高性能火箭发动机,如 SpaceX 的猛禽、蓝色起源的 BE-4 和相对论空间的 Aeon R。

但是,着陆器--以及今天的大多数航天器使用的是方便储存的超醇类推进剂,如肼或四氧化二氮,这些推进剂可以按正常燃料的方式储存,但毒性很强。相比之下,"低温推进剂"效率更高、能量更高,危险性也小得多,但它们必须主动冷却到非常非常低的温度。

这带来了一些独特的挑战。由于燃料必须保持低温,因此在升空前只能储存很短的时间。为了解决这个问题,Intuitive Machines 公司和 SpaceX 公司在升空前三小时就开始为 Nova-C 级着陆器的 VR900 发动机(由 IM 公司制造)添加燃料,当时火箭已经在发射台上,飞船已经在有效载荷整流罩内。

SpaceX公司负责建造和飞行可靠性的副总裁比尔-杰斯滕迈尔(Bill Gerstenmaier)在2月13日的新闻发布会上说,这太出乎意料了,以至于SpaceX公司不得不开发全新的能力来为着陆器提供燃料。这包括改装发射台和猎鹰9号火箭的第二级,以及增加一个适配器,以便在有效载荷整流罩已经与飞行器匹配时,还能进入有效载荷整流罩。

两家公司在发射前进行了两次湿式彩排;由于推进剂装载方面的问题,第一次发射尝试推迟了一天,于 2 月 15 日进行。成功发射后,直觉机器公司还遇到了液氧供料管路冷却的短暂问题,耗时比预计的要长。在推进剂得到充分冷却后,飞行控制人员于次日首次在太空中成功点燃了发动机。

由于该公司使用的是液氧和液态甲烷,这两种物质的效率很高,因此他们能够以更直接的轨迹飞往月球。航天器只需穿越一次范艾伦带(地球周围的高辐射区),这就减少了航天器暴露于破坏性高能粒子的机会。

两台 VR900 发动机还将用于 Intuitive Machines 更大的"Nova-D"飞船,向月球运送 500-750 公斤的有效载荷("Nova-C"着陆器的有效载荷为 100 公斤)。

Nova-C与Nova-D 着陆器将远不是最后一个在太空中使用低温推进剂的航天器。Impulse Space 公司首席执行官汤姆-穆勒(Tom Mueller)在一月份的一次采访中解释说,Impulse Space 公司的Helios火箭将使用低温推进剂把有效载荷直接送入地球静止轨道。他说:"以前人们曾讨论过用成吨的超醇燃料作为推进剂,这样做价格和安全成本实在是太高了,使用液氧和液态甲烷等成本非常低、能量非常高的推进剂,就像是一个没有脑子的想法"。

奥德修斯号运载到地面的六个美国宇航局科学和研究有效载荷中,有一个也直接利用了低温推进系统。该机构格伦研究中心的射频质量测量仪利用无线电波和天线来测量发动机燃料箱中可用推进剂的数量。这项技术对于在长时间太空任务中测量航天器燃料水平至关重要,尤其是因为晃动的液体会使在微重力状态下测量液体成为一项挑战。

这个问题对美国国家航空航天局(NASA)尤为重要,因为该局的阿耳特弥斯号(Artemis)人类重返月球表面任务依赖于使用低温推进剂的航天器--主要是 SpaceX 的星际飞船人类着陆系统和蓝色起源公司的蓝月号。这些任务需要将大量低温液体从在轨仓库转移到航天器上;虽然这些液体需要在轨道上停留的时间远远长于奥德修斯飞往月球的时间,但 IM-1 任务仍然为低温在太空中的应用打开了大门。

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