「奧德修斯號」以更安全廉價的低溫液態氧和液態甲烷推進技術開闢了探月新道路
直覺機器公司(Intuitive Machines)的首個月球著陸器「奧德修斯號」在月球上停留七天后,今天正式失去動力,與地球失去聯繫。該著陸器創造了歷史,因為它是自1972 年以來第一個到達月球表面的美國硬件,也是第一個在月球上著陸的私人製造的航天器。但是,這個名為奧德修斯的著陸器將因另一個原因而被銘記:它的推進系統。
此推進系統結合使用低溫液態氧和液態甲烷,可釋放新的太空能力,並降低其他商業供應商未來任務的風險。
在直覺機器公司的IM-1 號任務之前,還沒有登陸器使用過這種推進劑組合。如果它們聽起來耳熟,那是因為它們被用於高性能火箭發動機,如SpaceX 的猛禽、藍色起源的BE-4 和相對論空間的Aeon R。
但是,著陸器–以及今天的大多數太空船使用的是方便儲存的超醇類推進劑,如肼或四氧化二氮,這些推進劑可以按正常燃料的方式儲存,但毒性很強。相較之下,”低溫推進劑”效率更高、能量更高,危險性也小得多,但它們必須主動冷卻到非常非常低的溫度。
這帶來了一些獨特的挑戰。由於燃料必須保持低溫,因此在升空前只能儲存很短的時間。為了解決這個問題,Intuitive Machines 公司和SpaceX 公司在升空前三小時就開始為Nova-C 級著陸器的VR900 發動機(由IM 公司製造)添加燃料,當時火箭已經在發射台上,飛船已經在有效載重整流罩內。
SpaceX公司負責建造和飛行可靠性的副總裁比爾-傑斯滕邁爾(Bill Gerstenmaier)在2月13日的新聞發布會上說,這太出乎意料了,以至於SpaceX公司不得不開發全新的能力來為著陸器提供燃料。這包括改裝發射台和獵鷹9號火箭的第二級,以及增加一個適配器,以便在有效載荷整流罩已經與飛行器匹配時,還能進入有效載荷整流罩。
兩家公司在發射前進行了兩次濕式彩排;由於推進劑裝載方面的問題,第一次發射嘗試推遲了一天,於2 月15 日進行。成功發射後,直覺機器公司也遇到了液態氧供料管路冷卻的短暫問題,耗時比預期的要長。在推進劑得到充分冷卻後,飛行控制人員於次日首次在太空中成功點燃了引擎。
由於該公司使用的是液態氧和液態甲烷,這兩種物質的效率很高,因此他們能夠以更直接的軌跡飛往月球。太空船隻需穿越一次範艾倫帶(地球周圍的高輻射區),這就減少了太空船暴露於破壞性高能量粒子的機會。
兩台VR900 引擎也將用於Intuitive Machines 更大的”Nova-D”飛船,向月球運送500-750 公斤的有效載荷(”Nova-C”著陸器的有效載荷為100 公斤)。
Nova-C與Nova-D 著陸器將遠不是最後一個在太空中使用低溫推進劑的太空船。Impulse Space 公司執行長湯姆-穆勒(Tom Mueller)在一月份的一次採訪中解釋說,Impulse Space 公司的Helios火箭將使用低溫推進劑把有效載荷直接送入地球靜止軌道。他說:「以前人們曾討論過用成噸的超醇燃料作為推進劑,這樣做價格和安全成本實在是太高了,使用液態氧和液態甲烷等成本非常低、能量非常高的推進劑,就像是一個沒有腦子的想法”。
奧德修斯號運載到地面的六個美國太空總署科學和研究有效載荷中,有一個也直接利用了低溫推進系統。該機構格倫研究中心的射頻品質測量儀利用無線電波和天線來測量引擎燃料箱中可用推進劑的數量。這項技術對於在長時間太空任務中測量太空船燃料水平至關重要,尤其是因為晃動的液體會使在微重力狀態下測量液體成為一項挑戰。
這個問題對美國國家航空暨太空總署(NASA)尤其重要,因為該局的阿耳特彌斯號(Artemis)人類重返月球表面任務依賴於使用低溫推進劑的太空船–主要是SpaceX 的星際飛船人類著陸系統和藍色起源公司的藍月號。這些任務需要將大量低溫液體從在軌倉庫轉移到太空船上;雖然這些液體需要在軌道上停留的時間遠遠長於奧德修斯飛往月球的時間,但IM-1 任務仍然為低溫在太空中的應用打開了大門。