美國(guó)太空探索技術(shù)公司的海上平臺(tái)簡(jiǎn)析

楊開(kāi)　 米鑫（ 北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所， 北京航天控制儀器研究所）

1　海上回收平臺(tái)簡(jiǎn)介

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的海上回收平臺(tái)稱為“自動(dòng)航天港無(wú)人船”（Autonomous Spaceport Drone Ship，ASDS），是在甲板駁船的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，安裝了用于維持位置的動(dòng)力系統(tǒng)，以及大型的著陸平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制或遠(yuǎn)程遙控，在海上作為獵鷹－9（Falcon－9）火箭一子級(jí)著陸的平臺(tái)，是該公司火箭重復(fù)使用計(jì)劃的重要設(shè)施。

SpaceX公司共有3個(gè)海上回收平臺(tái)，其中2個(gè)在用，另外一個(gè)（也是最早投入使用的平臺(tái)）已不再執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。在用的2個(gè)海上平臺(tái)代號(hào)為“請(qǐng)閱讀說(shuō)明”（Just Read the Instructions）和“當(dāng)然我依然愛(ài)你”（Of Course I Still Love You）?！罢?qǐng)閱讀說(shuō)明”平臺(tái)?？吭谖骱０陡浇?，在太平洋上回收從范登堡空軍基地執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的獵鷹－9火箭一子級(jí)；“當(dāng)然我依然愛(ài)你”平臺(tái)?？吭跂|海岸附近，在大西洋上回收從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射的獵鷹－9火箭一子級(jí)。

SpaceX公司的海上回收平臺(tái)均改裝自麥克唐納海事服務(wù)公司的Marmac 30X系列甲板駁船，最早投入使用的海上回收平臺(tái)改裝自Marmac 300甲板駁船，在用的“請(qǐng)閱讀說(shuō)明”回收平臺(tái)改裝自Marmac303甲板駁船，“當(dāng)然我依然愛(ài)你”回收平臺(tái)改裝自Marmac 304甲板駁船。三艘甲板駁船的性能參數(shù)基本相同。

Marmac 30X系列甲板駁船的參數(shù)

Marmac 300是由墨西哥灣制造公司于1998年建造的，船齡已經(jīng)接近20年，是最早改進(jìn)的一艘甲板駁船（SpaceX公司在2014年10月第一次公布了Marmac 300改裝的信息），這艘駁船在SpaceX公司海上回收平臺(tái)的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中充當(dāng)了技術(shù)驗(yàn)證的角色。Marmac 303和Marmac 304則都是由標(biāo)桿國(guó)際公司在2013年完成制造的，船齡僅有4年，屬于比較新的船只。

2　從甲板駁船到海上回收平臺(tái)的改進(jìn)

為了使甲板駁船適用于獵鷹－9火箭一子級(jí)著陸回收任務(wù)，SpaceX公司對(duì)Marmac 30X系列甲板駁船進(jìn)行了大量改進(jìn)，主要包括4個(gè)方面：首先是擴(kuò)展了甲板面積，保證有足夠的著陸區(qū)域；其次是為甲板駁船安裝了動(dòng)力系統(tǒng)，使平臺(tái)能夠在海洋中保持相對(duì)穩(wěn)定的位置；再次，為平臺(tái)上的設(shè)備箱增加了起到保護(hù)作用的防爆隔離板等防護(hù)措施，以防在一子級(jí)未能成功著陸或者發(fā)生爆炸時(shí)，減小對(duì)平臺(tái)設(shè)備的影響；最后，則是設(shè)計(jì)了用于固定火箭一子級(jí)的機(jī)器人，未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主的回收操作，大幅降低風(fēng)險(xiǎn)。

增加甲板面積

Marmac 30X系列甲板駁船的甲板寬度僅有30.48m，而獵鷹－9火箭一子級(jí)的著陸支架在展開(kāi)之后的最大寬度大約為14.7m，所以SpaceX在甲板駁船兩側(cè)增加了甲板擴(kuò)展區(qū)，將甲板寬度擴(kuò)展為51.81m。同時(shí)，將其他船上設(shè)備布置到了甲板兩頭，這樣在平臺(tái)中部形成了一個(gè)51.81m×65.22m的矩形著陸區(qū)。甲板擴(kuò)展區(qū)都是通過(guò)焊接的方式直接連接到甲板駁船上。

海上回收平臺(tái)的尺寸示意圖

安裝動(dòng)力系統(tǒng)

為了能夠使海上回收平臺(tái)在海洋上保持相對(duì)固定的位置，配合火箭一子級(jí)的著陸動(dòng)作，SpaceX公司在回收平臺(tái)上安裝了4臺(tái)功率220kW的方位推力器，用于調(diào)整平臺(tái)的位置，能夠使平臺(tái)在海浪環(huán)境中維持穩(wěn)定的位置。伊隆·馬斯克在2014年曾表示海上回收平臺(tái)利用上述4臺(tái)方位推力器以及GPS定位信息，“能夠在風(fēng)暴中將位置精度維持在3m以內(nèi)”。

防護(hù)措施

在火箭一子級(jí)著陸時(shí)可能會(huì)發(fā)生意外，包括火箭速度未能得到有效控制而直接撞到平臺(tái)上、火箭姿態(tài)調(diào)整不到位發(fā)生傾倒，以及發(fā)生爆炸等，為了保護(hù)平臺(tái)上的設(shè)備，SpaceX公司在平臺(tái)上設(shè)置防爆隔離板，并且還在不斷對(duì)防護(hù)措施進(jìn)行升級(jí)，包括隔離板的位置和面積等都有所調(diào)整。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)之后，平臺(tái)尾部防爆隔離板的下方騰出了部分空間，并設(shè)計(jì)出了一個(gè)相對(duì)封閉的空間。平臺(tái)頭部的防爆隔離板也向平臺(tái)中心移動(dòng)了一段距離，為隔離板和船上設(shè)備之間增加了一個(gè)緩沖帶，可以提供更多的保護(hù)。

自主操作機(jī)器人

除了上述針對(duì)駁船的改造之外，2017年3月有社交媒體網(wǎng)站上透露了“當(dāng)然我依然愛(ài)你”海上回收平臺(tái)上出現(xiàn)了一個(gè)白色的“機(jī)器人”。雖然SpaceX公司還沒(méi)有正式對(duì)外公布該設(shè)備的具體用途，但是根據(jù)初步推測(cè)，該設(shè)備很可能是用于固定火箭一子級(jí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)火箭一子級(jí)回收處理的無(wú)人自主化操作?，F(xiàn)在獵鷹－9火箭一子級(jí)降落到平臺(tái)上之后，需要將其焊接到甲板上進(jìn)行固定，之后再運(yùn)回港口開(kāi)展后續(xù)的處理和維護(hù)工作。而這個(gè)白色的“機(jī)器人”很可能能夠自主（或者遠(yuǎn)程遙控）實(shí)現(xiàn)固定一子級(jí)的目標(biāo)。按照推測(cè)，在火箭一子級(jí)降落在平臺(tái)甲板后，該設(shè)備會(huì)鉆到火箭下方，伸出4個(gè)液壓臂，通過(guò)夾緊和支撐火箭底部的發(fā)動(dòng)機(jī)支架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一子級(jí)的固定。

3　海上回收平臺(tái)的牽引船和支援船

SpaceX公司為目前正在使用的兩個(gè)海上回收平臺(tái)分別配備了一艘拖船，“請(qǐng)閱讀說(shuō)明”平臺(tái)采用瑞亞（Rhea）拖船，“當(dāng)然我依然愛(ài)你”平臺(tái)采用埃爾斯貝特3（Elsbeth III）拖船。這兩艘拖船都是從史密斯海事公司租賃的。瑞亞和埃爾斯貝特3屬于小型敏捷的海上拖船，能夠在各類嚴(yán)苛的天氣情況下進(jìn)行拖船作業(yè)。船上所有系統(tǒng)都有三重備份，保證拖船的可靠性，適用于海上遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)。瑞亞拖船和埃爾斯貝特3拖船基本相同，都是由萊塞姆·史密斯船長(zhǎng)公司（Captain Latham Smith）制造的。拖船總長(zhǎng)為27.4m，最大寬度12.2m，總噸位98，采用了三菱公司的動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力達(dá)到3730kW，系柱拉力為50t。

拖船正在將海上平臺(tái)和回收的火箭牽引入港

除拖船外，SpaceX公司還為回收任務(wù)配備兩艘支援船，代號(hào)分別為Go Quest和Go Searcher，兩艘船都租賃自蓋茨海上公司（Guice Offshore）。這兩艘支援船的規(guī)模基本相當(dāng)，長(zhǎng)度為50m，寬度為10m，總噸位大約為500。在回收過(guò)程中，所有操作人員都會(huì)撤離到支援船。支援船上有通信設(shè)備，可能在火箭回收過(guò)程中進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

支援船和拖船停泊在港口

4　海上回收平臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)

SpaceX公司海上回收平臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)是從美國(guó)德克薩斯推力大師公司（Thrustmaster of Texas）采購(gòu)的“艦載動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)”，包括4組柴油動(dòng)力的方位推力器模塊。“艦載動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)”采用計(jì)算機(jī)控制，能夠使駁船在開(kāi)放水域內(nèi)，對(duì)抗風(fēng)浪、洋流，保持較高的位置精度，從而在獵鷹－9火箭返回過(guò)程中提供一個(gè)準(zhǔn)確的著陸位置。

4組方位推力器都采用模塊化設(shè)計(jì)，各自采用獨(dú)立的液壓動(dòng)力單元，在甲板上進(jìn)行安裝和固定，系統(tǒng)配備了一個(gè)動(dòng)態(tài)位置控制箱以及傳感器套件。位置參數(shù)傳感器、風(fēng)速傳感器和回轉(zhuǎn)羅盤(pán)會(huì)持續(xù)將駁船的位置、航向和風(fēng)力等信息傳輸給計(jì)算機(jī)。控制箱中的計(jì)算機(jī)利用上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并給4個(gè)推力器模塊下達(dá)控制指令，完成角度和推力輸出控制，使駁船保持一定的位置精度。所有的控制都是通過(guò)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，傳感器、計(jì)算機(jī)以及柴油液壓動(dòng)力單元之間都通過(guò)電線相連接，液壓動(dòng)力單元和推力器之間還有液壓管路連接。整套系統(tǒng)安裝在甲板兩側(cè)，占用很少的甲板空間，而且不需要對(duì)駁船進(jìn)行任何永久性的改造，安裝便捷。

SpaceX公司海上回收平臺(tái)采用的“艦載動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)”

方位推力器

方位推力器的功率為220kW，構(gòu)成組件包括轉(zhuǎn)向馬達(dá)、支桿、螺旋槳液壓馬達(dá)、螺旋槳、噴嘴以及擺動(dòng)系統(tǒng)。

推力器通過(guò)基座和船體進(jìn)行連接，支桿和頭部都不需要額外的支撐。推力器上的轉(zhuǎn)向馬達(dá)、螺旋槳液壓馬達(dá)通過(guò)和液壓動(dòng)力單元相連接的液壓管路驅(qū)動(dòng)。推力器采用液壓驅(qū)動(dòng)的擺動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)⒅U和頭部向上翻轉(zhuǎn)90°，使支桿和頭部調(diào)整成水平位置，與甲板平行，便于維護(hù)和檢修，在不使用的時(shí)候也能抬出水面。

方位推力器的支桿長(zhǎng)度和駁船進(jìn)行了匹配，能夠使頭部的螺旋槳全部沒(méi)入水中。推力器采用鎳鋁青銅、4葉片、大推力、整體式螺旋槳，螺旋槳包裹在噴管中，螺旋槳的直徑為206cm。推力器利用液壓轉(zhuǎn)向馬達(dá)實(shí)現(xiàn)360°的連續(xù)轉(zhuǎn)向能力，轉(zhuǎn)向速度為3轉(zhuǎn)/分鐘，而且可以在一定范圍可調(diào)。推力器的螺旋槳采用雙向可變速的活塞液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，活塞液壓馬達(dá)安裝在頭部并設(shè)計(jì)成了吊艙式的驅(qū)動(dòng)單元，從而避免了傳統(tǒng)推力器上使用的直角傳動(dòng)裝置。支桿中的液壓管路直通甲板上的柴油液壓動(dòng)力單元，為活塞液壓馬達(dá)提供動(dòng)力。除了流經(jīng)管路中的液壓介質(zhì)，推力器的支桿中沒(méi)有其他的活動(dòng)部件。因此，盡管推力器的支桿很長(zhǎng)，但是其可靠性仍得到了保證。

液壓動(dòng)力單元

每個(gè)推力器都有配套的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓動(dòng)力單元。動(dòng)力單元是完全封閉的，適用于海上作業(yè)環(huán)境，可以直接安裝到甲板上。液壓動(dòng)力單元能夠驅(qū)動(dòng)螺旋槳的活塞液壓馬達(dá)、轉(zhuǎn)向馬達(dá)以及支桿擺動(dòng)系統(tǒng)。液壓動(dòng)力單元的構(gòu)成包括：散熱器冷卻的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、封閉式的主液壓泵、冷卻設(shè)備、液壓油箱、液壓管路、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)等。發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓組件都封裝在標(biāo)準(zhǔn)箱體內(nèi)。

動(dòng)態(tài)位置控制系統(tǒng)

“艦載動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)”的控制系統(tǒng)安裝在動(dòng)態(tài)位置控制箱內(nèi)，箱體除了控制用的計(jì)算機(jī)以外，還包括一系列傳感器。

5　海上回收平臺(tái)的操作過(guò)程

在發(fā)射任務(wù)前幾天，SpaceX公司的海上回收平臺(tái)就會(huì)利用拖船離開(kāi)港口前往回收區(qū)域的海域，之后不久，Go Quest或Go Searcher支援船也會(huì)前往護(hù)航。達(dá)到獵鷹－9火箭一子級(jí)預(yù)定的著陸回收海域附近準(zhǔn)備進(jìn)行回收任務(wù)時(shí)，拖船上的工作人員可能會(huì)啟動(dòng)回收平臺(tái)上的推力器，讓平臺(tái)根據(jù)預(yù)定的GPS坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)位置保持。與此同時(shí)，拖船和支援船會(huì)在一定安全距離上待命。回收平臺(tái)上設(shè)計(jì)了噴淋系統(tǒng)，利用平臺(tái)帶的淡水對(duì)著甲板噴水，在火箭一子級(jí)降落到平臺(tái)的過(guò)程中對(duì)甲板進(jìn)行降溫和保護(hù)。

海上回收平臺(tái)上設(shè)有攝像機(jī)，在火箭一子級(jí)著陸的過(guò)程中，回收平臺(tái)會(huì)將視頻圖像實(shí)時(shí)傳送回SpaceX的發(fā)射控制中心，對(duì)著陸過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。一子級(jí)著陸時(shí)，回收平臺(tái)上沒(méi)有人員，這也是將回收平臺(tái)稱為“自主無(wú)人船”的原因。

SpaceX公司負(fù)責(zé)任務(wù)保證的副總裁漢斯·尼格斯曼曾表示，在一子級(jí)降落到平臺(tái)上之后，工作人員需要1～2h對(duì)回收平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，解除一些風(fēng)險(xiǎn)。之后，工作人員才能登上回收平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)處理。這些遠(yuǎn)程操作包括對(duì)增壓氦氣瓶進(jìn)行放氣，以及排放液氧貯箱中的液氧。工作人員登上回收平臺(tái)后，會(huì)將一子級(jí)焊接固定到甲板上，再利用拖船將回收平臺(tái)拖回港口。

返回港口之后，工作人員會(huì)對(duì)一子級(jí)進(jìn)一步處理（包括把剩余的煤油泄出等），再利用吊車將一子級(jí)從平臺(tái)上卸下，利用固定裝置將一子級(jí)調(diào)整成水平狀態(tài)，再利用卡車將其運(yùn)往SpaceX公司位于德克薩斯州的麥格雷戈試驗(yàn)場(chǎng)或運(yùn)往卡納維拉爾角39A發(fā)射工位的廠房?jī)?nèi)。

另外，SpaceX公司在回收過(guò)程中還引入一項(xiàng)新的攝錄視頻的方法，就是利用裝有攝像機(jī)的無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)從回收平臺(tái)上起飛，在一定的高度懸停，對(duì)一子級(jí)的著陸過(guò)程進(jìn)行拍攝，著陸完成之后，無(wú)人機(jī)再返回到回收平臺(tái)上。這樣，即使一子級(jí)著陸過(guò)程中的熱載荷和沖擊會(huì)對(duì)平臺(tái)造成一定損壞，但是SpaceX公司仍能利用無(wú)人機(jī)留存視頻。

6　小結(jié)

海上回收平臺(tái)作為SpaceX火箭復(fù)用計(jì)劃的重要組成部分，從2015年1月首次嘗試?yán)煤Ｉ掀脚_(tái)回收火箭，到2017年4月底已經(jīng)進(jìn)行了18次海上平臺(tái)回收任務(wù)，失敗5次，成功13次，尤其是2017年以來(lái)的9次海上平臺(tái)回收全部取得成功。在過(guò)去幾年的時(shí)間里，SpaceX的海上回收平臺(tái)不斷進(jìn)行改進(jìn)、更新，為SpaceX公司火箭重復(fù)使用計(jì)劃的順利實(shí)施提供重要保障。今后，海上回收平臺(tái)還會(huì)持續(xù)進(jìn)行升級(jí)，朝著實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主化操作的方向發(fā)展。