美國太空探索技術公司的海上平臺簡析

楊開　 米鑫（ 北京航天長征科技信息研究所， 北京航天控制儀器研究所）

1　海上回收平臺簡介

美國太空探索技術公司（SpaceX）的海上回收平臺稱為“自動航天港無人船”（Autonomous Spaceport Drone Ship，ASDS），是在甲板駁船的基礎上改進而來，安裝了用于維持位置的動力系統，以及大型的著陸平臺，能夠實現自動控制或遠程遙控，在海上作為獵鷹－9（Falcon－9）火箭一子級著陸的平臺，是該公司火箭重復使用計劃的重要設施。

SpaceX公司共有3個海上回收平臺，其中2個在用，另外一個（也是最早投入使用的平臺）已不再執行發射任務。在用的2個海上平臺代號為“請閱讀說明”（Just Read the Instructions）和“當然我依然愛你”（Of Course I Still Love You）?！罢堥喿x說明”平臺停靠在西海岸附近，在太平洋上回收從范登堡空軍基地執行發射任務的獵鷹－9火箭一子級；“當然我依然愛你”平臺?？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射的獵鷹－9火箭一子級。

SpaceX公司的海上回收平臺均改裝自麥克唐納海事服務公司的Marmac 30X系列甲板駁船，最早投入使用的海上回收平臺改裝自Marmac 300甲板駁船，在用的“請閱讀說明”回收平臺改裝自Marmac303甲板駁船，“當然我依然愛你”回收平臺改裝自Marmac 304甲板駁船。三艘甲板駁船的性能參數基本相同。

Marmac 30X系列甲板駁船的參數

Marmac 300是由墨西哥灣制造公司于1998年建造的，船齡已經接近20年，是最早改進的一艘甲板駁船（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公司海上回收平臺的技術開發過程中充當了技術驗證的角色。Marmac 303和Marmac 304則都是由標桿國際公司在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的改進

為了使甲板駁船適用于獵鷹－9火箭一子級著陸回收任務，SpaceX公司對Marmac 30X系列甲板駁船進行了大量改進，主要包括4個方面：首先是擴展了甲板面積，保證有足夠的著陸區域；其次是為甲板駁船安裝了動力系統，使平臺能夠在海洋中保持相對穩定的位置；再次，為平臺上的設備箱增加了起到保護作用的防爆隔離板等防護措施，以防在一子級未能成功著陸或者發生爆炸時，減小對平臺設備的影響；最后，則是設計了用于固定火箭一子級的機器人，未來可能實現無人自主的回收操作，大幅降低風險。

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火箭一子級的著陸支架在展開之后的最大寬度大約為14.7m，所以SpaceX在甲板駁船兩側增加了甲板擴展區，將甲板寬度擴展為51.81m。同時，將其他船上設備布置到了甲板兩頭，這樣在平臺中部形成了一個51.81m×65.22m的矩形著陸區。甲板擴展區都是通過焊接的方式直接連接到甲板駁船上。

海上回收平臺的尺寸示意圖

安裝動力系統

為了能夠使海上回收平臺在海洋上保持相對固定的位置，配合火箭一子級的著陸動作，SpaceX公司在回收平臺上安裝了4臺功率220kW的方位推力器，用于調整平臺的位置，能夠使平臺在海浪環境中維持穩定的位置。伊隆·馬斯克在2014年曾表示海上回收平臺利用上述4臺方位推力器以及GPS定位信息，“能夠在風暴中將位置精度維持在3m以內”。

防護措施

在火箭一子級著陸時可能會發生意外，包括火箭速度未能得到有效控制而直接撞到平臺上、火箭姿態調整不到位發生傾倒，以及發生爆炸等，為了保護平臺上的設備，SpaceX公司在平臺上設置防爆隔離板，并且還在不斷對防護措施進行升級，包括隔離板的位置和面積等都有所調整。經過進一步改進之后，平臺尾部防爆隔離板的下方騰出了部分空間，并設計出了一個相對封閉的空間。平臺頭部的防爆隔離板也向平臺中心移動了一段距離，為隔離板和船上設備之間增加了一個緩沖帶，可以提供更多的保護。

自主操作機器人

除了上述針對駁船的改造之外，2017年3月有社交媒體網站上透露了“當然我依然愛你”海上回收平臺上出現了一個白色的“機器人”。雖然SpaceX公司還沒有正式對外公布該設備的具體用途，但是根據初步推測，該設備很可能是用于固定火箭一子級，進一步實現火箭一子級回收處理的無人自主化操作?，F在獵鷹－9火箭一子級降落到平臺上之后，需要將其焊接到甲板上進行固定，之后再運回港口開展后續的處理和維護工作。而這個白色的“機器人”很可能能夠自主（或者遠程遙控）實現固定一子級的目標。按照推測，在火箭一子級降落在平臺甲板后，該設備會鉆到火箭下方，伸出4個液壓臂，通過夾緊和支撐火箭底部的發動機支架結構，實現對一子級的固定。

3　海上回收平臺的牽引船和支援船

SpaceX公司為目前正在使用的兩個海上回收平臺分別配備了一艘拖船，“請閱讀說明”平臺采用瑞亞（Rhea）拖船，“當然我依然愛你”平臺采用埃爾斯貝特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，能夠在各類嚴苛的天氣情況下進行拖船作業。船上所有系統都有三重備份，保證拖船的可靠性，適用于海上遠距離、長時間的任務。瑞亞拖船和埃爾斯貝特3拖船基本相同，都是由萊塞姆·史密斯船長公司（Captain Latham Smith）制造的。拖船總長為27.4m，最大寬度12.2m，總噸位98，采用了三菱公司的動力系統，動力達到3730kW，系柱拉力為50t。

拖船正在將海上平臺和回收的火箭牽引入港

除拖船外，SpaceX公司還為回收任務配備兩艘支援船，代號分別為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?；鞠喈敚L度為50m，寬度為10m，總噸位大約為500。在回收過程中，所有操作人員都會撤離到支援船。支援船上有通信設備，可能在火箭回收過程中進行遠程操控。

支援船和拖船停泊在港口

4　海上回收平臺的動力系統

SpaceX公司海上回收平臺的動力系統是從美國德克薩斯推力大師公司（Thrustmaster of Texas）采購的“艦載動態定位系統”，包括4組柴油動力的方位推力器模塊?！芭炤d動態定位系統”采用計算機控制，能夠使駁船在開放水域內，對抗風浪、洋流，保持較高的位置精度，從而在獵鷹－9火箭返回過程中提供一個準確的著陸位置。

4組方位推力器都采用模塊化設計，各自采用獨立的液壓動力單元，在甲板上進行安裝和固定，系統配備了一個動態位置控制箱以及傳感器套件。位置參數傳感器、風速傳感器和回轉羅盤會持續將駁船的位置、航向和風力等信息傳輸給計算機?？刂葡渲械挠嬎銠C利用上述參數進行計算，并給4個推力器模塊下達控制指令，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電信號實現的，傳感器、計算機以及柴油液壓動力單元之間都通過電線相連接，液壓動力單元和推力器之間還有液壓管路連接。整套系統安裝在甲板兩側，占用很少的甲板空間，而且不需要對駁船進行任何永久性的改造，安裝便捷。

SpaceX公司海上回收平臺采用的“艦載動態定位系統”

方位推力器

方位推力器的功率為220kW，構成組件包括轉向馬達、支桿、螺旋槳液壓馬達、螺旋槳、噴嘴以及擺動系統。

推力器通過基座和船體進行連接，支桿和頭部都不需要額外的支撐。推力器上的轉向馬達、螺旋槳液壓馬達通過和液壓動力單元相連接的液壓管路驅動。推力器采用液壓驅動的擺動系統，能夠將支桿和頭部向上翻轉90°，使支桿和頭部調整成水平位置，與甲板平行，便于維護和檢修，在不使用的時候也能抬出水面。

方位推力器的支桿長度和駁船進行了匹配，能夠使頭部的螺旋槳全部沒入水中。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。推力器利用液壓轉向馬達實現360°的連續轉向能力，轉向速度為3轉/分鐘，而且可以在一定范圍可調。推力器的螺旋槳采用雙向可變速的活塞液壓馬達直接驅動，活塞液壓馬達安裝在頭部并設計成了吊艙式的驅動單元，從而避免了傳統推力器上使用的直角傳動裝置。支桿中的液壓管路直通甲板上的柴油液壓動力單元，為活塞液壓馬達提供動力。除了流經管路中的液壓介質，推力器的支桿中沒有其他的活動部件。因此，盡管推力器的支桿很長，但是其可靠性仍得到了保證。

液壓動力單元

每個推力器都有配套的柴油發動機驅動的液壓動力單元。動力單元是完全封閉的，適用于海上作業環境，可以直接安裝到甲板上。液壓動力單元能夠驅動螺旋槳的活塞液壓馬達、轉向馬達以及支桿擺動系統。液壓動力單元的構成包括：散熱器冷卻的船用柴油發動機、封閉式的主液壓泵、冷卻設備、液壓油箱、液壓管路、發動機排氣系統等。發動機和液壓組件都封裝在標準箱體內。

動態位置控制系統

“艦載動態定位系統”的控制系統安裝在動態位置控制箱內，箱體除了控制用的計算機以外，還包括一系列傳感器。

5　海上回收平臺的操作過程

在發射任務前幾天，SpaceX公司的海上回收平臺就會利用拖船離開港口前往回收區域的海域，之后不久，Go Quest或Go Searcher支援船也會前往護航。達到獵鷹－9火箭一子級預定的著陸回收海域附近準備進行回收任務時，拖船上的工作人員可能會啟動回收平臺上的推力器，讓平臺根據預定的GPS坐標進行自動位置保持。與此同時，拖船和支援船會在一定安全距離上待命?；厥掌脚_上設計了噴淋系統，利用平臺帶的淡水對著甲板噴水，在火箭一子級降落到平臺的過程中對甲板進行降溫和保護。

海上回收平臺上設有攝像機，在火箭一子級著陸的過程中，回收平臺會將視頻圖像實時傳送回SpaceX的發射控制中心，對著陸過程進行監控。一子級著陸時，回收平臺上沒有人員，這也是將回收平臺稱為“自主無人船”的原因。

SpaceX公司負責任務保證的副總裁漢斯·尼格斯曼曾表示，在一子級降落到平臺上之后，工作人員需要1～2h對回收平臺進行遠程操作，解除一些風險。之后，工作人員才能登上回收平臺進行后續處理。這些遠程操作包括對增壓氦氣瓶進行放氣，以及排放液氧貯箱中的液氧。工作人員登上回收平臺后，會將一子級焊接固定到甲板上，再利用拖船將回收平臺拖回港口。

返回港口之后，工作人員會對一子級進一步處理（包括把剩余的煤油泄出等），再利用吊車將一子級從平臺上卸下，利用固定裝置將一子級調整成水平狀態，再利用卡車將其運往SpaceX公司位于德克薩斯州的麥格雷戈試驗場或運往卡納維拉爾角39A發射工位的廠房內。

另外，SpaceX公司在回收過程中還引入一項新的攝錄視頻的方法，就是利用裝有攝像機的無人機。無人機從回收平臺上起飛，在一定的高度懸停，對一子級的著陸過程進行拍攝，著陸完成之后，無人機再返回到回收平臺上。這樣，即使一子級著陸過程中的熱載荷和沖擊會對平臺造成一定損壞，但是SpaceX公司仍能利用無人機留存視頻。

6　小結

海上回收平臺作為SpaceX火箭復用計劃的重要組成部分，從2015年1月首次嘗試利用海上平臺回收火箭，到2017年4月底已經進行了18次海上平臺回收任務，失敗5次，成功13次，尤其是2017年以來的9次海上平臺回收全部取得成功。在過去幾年的時間里，SpaceX的海上回收平臺不斷進行改進、更新，為SpaceX公司火箭重復使用計劃的順利實施提供重要保障。今后，海上回收平臺還會持續進行升級，朝著實現無人自主化操作的方向發展。