小火箭出品 必属精品
本文作者：邢强
本文共6693字，90图。
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本文是小火箭的SpaceX系列报告的新一篇。
以往的报告，咱们对于猎鹰1号运载火箭、猎鹰9号运载火箭的总体设计与制导控制以及成本计算有了比较详细的分析和计算。
对于一个同时具备运载火箭的研发与量产、卫星总体设计与量产和在轨交付与远期运营能力的企业来说，其技术支持力量将会不仅仅限制在传统的厂房车间与现代化的试车台上，也不会局限于运载火箭的陆上发射场。
为了实现运载火箭的海上回收和载人版龙飞船的自主回收，SpaceX还需要有一支可堪使用的舰队。
本文，小火箭就和大家一起，详细探讨：
SpaceX公司的海上力量的概况；
运载火箭海上回收平台的的性能与设计思路；
整流罩回收船的情况；
载人版龙飞船的海上专用回收船；
其他保障支援船只。
1号船
仅需阅读说明号
仅需阅读说明，这个名字，来自于科幻小说《游戏玩家》。
对于一家90%的员工都是深度科幻迷（其他10%认为自己是狂热科幻迷）的企业来说，对其重要型号的命名，当然要源自各种值得玩味的科幻梗了。
上图就是仅需阅读说明号，注意其左侧船艏的鲨鱼嘴涂装。
这个涂装让小火箭想起了二战期间的P-40飞虎队。
2014年10月初，SpaceX认为其海上回收技术已经具备一定的可行性，于是就向路易斯安那州一家造船厂下了订单，订购了两艘马麦克30X型甲板型驳船，并给出了改造指标。
具体为303和304。
该型驳船，长91.45米，宽30.49米。
按标称吃水深度计算，每平方米甲板可对应12.21吨载重。
考虑到猎鹰9号运载火箭之前只进行过成功的陆地回收试验，而且大西洋和太平洋的海况都是令人印象深刻的，所以SpaceX公司对于海上平台的稳定性要求是相当高的。
该平台采用4台300马力的发动机来维持在大洋中的稳定。
改造后的运载火箭海上回收平台，长度不变，宽度从驳船的30.49米拓展为52.12米。
上图为4台大功率推进器中的一台。
平台以保持火箭着陆时的姿态稳定度为优先设计指标，因此牺牲了自身动力的持续航行能力。
在进行落区部署的时候，往往会借助拖船的拖拽。
按发射时间窗口和弹道要求，小火箭计算中心基于猎鹰9号运载火箭的动力学特征，进行了弹道设计。
由上图可见，猎鹰9号运载火箭由佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空，射向为东北，二级（黄色）有绵长的滑行段。
红色为猎鹰9号运载火箭第一级的弹道，黄色为猎鹰9号运载火箭第二级的弹道。
可见，猎鹰9号的第一级着陆在了大西洋预定海域。
从弹道设计的层面来说，运载火箭的第一级的海上降落，能够让火箭的受控落点与无控落点的距离较为接近。
这样的好处，就是可以让第一级专注于姿态稳定和减速，而无需大幅度在纵程与横程上进行调整，从而节省大量燃料，这也就意味着无需损失过多运力。
在运力损失与可重复使用之间能够取得良好平衡点，是一款火箭进行可持续运营的关键。
猎鹰9号运载火箭的第一级弹道。
结合小火箭之前给出的猎鹰9号可重复使用运载火箭的第一级弹道的计算可知，拖船需要把平台拖拽到海岸外将近500公里的地方。
如果是非载人的近地轨道发射，则可以让弹道更加陡峭一些，其第一级的弹道落点相对来说就会近一些。
比如首次海上回收测试的时候，落点就设定在了距卡纳维拉尔角发射地点东北方向320公里处，南卡罗莱纳州查尔斯顿东南约266公里处。
如果是打地球同步转移轨道的话，一级的落点就要远一些了，按小火箭的弹道计算结果，为650公里处，根据载荷的具体情况，最近可为607公里，最远可达681公里。
而如果是重型猎鹰运载火箭的话，芯一级的海上落点，可以远到1240公里处。
公元2015年4月14日，一枚猎鹰9号运载火箭V1.1型从卡纳维拉尔角40号发射工位顺利升空。
她把执行第6次国际空间站货运任务的货运版龙飞船送入了预定轨道。
当天，这枚猎鹰9号运载火箭的第一级在仅需阅读说明号火箭回收驳船上实现了成功降落。
借助海上平台的差分GPS天线的定位能力，平台可以将自身定位精度控制在3米×3米的范围之内。
实际上因为这个定位裕度提得有些大了，按最近十几次的回收情况来看，其平台定位误差均小于1米。
平台上有相对位置机器视觉传感器，对逐渐逼近的运载火箭第一级的情况进行观测，并且可以把实时影像上行到测控卫星，然后借助卫星回传给控制中心。
虽然这个上行链路有两个天线来互为备份，但是关注每一次猎鹰9号运载火箭海上回收的小火箭好友们大概会发现，有好几次这个机位的拍摄画面都出现了突然中断的情况。
有人会猜测：这会不会是SpaceX公司为了不让其他工程师观察到猎鹰9号运载火箭第一级的返回末段弹道的点火策略和飞行控制弹道而故意切断的镜头呢？
答：不是的。真实原因比较单纯：猎鹰9号运载火箭的第一级返回到驳船上空的时候，会大力点火一下来做最终的减速。
这个点火的力道非常大，会给驳船带来剧烈的振动。这样的振动，有好几次都把驳船上的上行链路的卫星天线的锁星状态给破坏掉了，因此就出现了直播画面突然消失的情况。
2号船
当然我依然爱你号
当然我依然爱你号，比起姊妹舰仅需阅读说明号来说，装备要精良一些，增设了防止火箭尾焰炙烤柴油油箱和发电机的挡板。
这张特写照片较为清晰地展示了模块化的柴油发电机、电动机组、油箱还有由蓝色旋臂托举着的推进器螺旋桨。
有关这个海上浮动平台的名字，还是值得说一说的。她叫做Of Course I Still Love You （当然，我依然爱你）。
这个名字的出现在当年SpaceX公司多次尝试在海上回收遇挫时出现，不禁让很多人认为，这是对火箭本身的鼓励。虽然炸了平台，但是，依然爱你。
实际上，这个名字同样是向苏格兰的科幻小说作家伊恩·班克斯致敬，同样出自科幻小说《游戏玩家》。
在大西洋上迎接猎鹰9号火箭的平台，长91.1米，宽52.05米，采用4台300马力的发动机来维持在大洋中的稳定。
按照快速迭代的设计理念，我们依然能够看到一些细节上的改进。
比如，之前猎鹰9号火箭成功地在海上回收之后，会有“敢死队”工程师冒着火箭和甲板的余温炙烤和火箭在海浪中倾覆的危险，给火箭绑上固定线缆。
而之后，传说中的回收机器人就该上阵了。虽然她没有像之前传闻中提到了有拖拽火箭、摆平火箭甚至是再次加注的能力，但是她有个很实在的功能：能够尽快抓住猎鹰9号火箭一级的大空壳子，而不再需要让人类工程师去冒风险。这一个细节的变化还是蛮赞的。
猎鹰9号火箭的一级尾部，有一个用于吊运的孔。对于液体燃料火箭这种“皮薄馅大”的飞行器来说，弹体大部分地方是不能乱踩乱抓的，需要按照规程来对其吊装部位进行操作。这个规定还是要遵守的，弄不好会出大事情，详见小火箭的公号文章《一柄扳手引发的美国核导弹大爆炸》。
再离近一些，可以看得更清楚一些。海上浮动平台的机器人就是抓住上图中间部位的那个孔来防止火箭在海浪中倾倒的。
以上为海上平台遂行猎鹰9号运载火箭海上回收作业的场景，由平台上的3台摄像机拍摄。
SpaceX公司为什么要弄两艘海上回收驳船（平台）呢？
答：猎鹰9号运载火箭从美国东西两个海岸的卡纳维拉尔角和范登堡发射，因此需要一个大西洋上的回收平台和一个太平洋上的回收平台。
当然，有时候，回收平台会根据任务需要而进行调度。
2019年，海上平台仅需阅读说明号，需要从太平洋转场到大西洋。
小火箭好友们已经知道了猎鹰9号运载火箭从范登堡空军基地陆上回收之后，乘坐大卡车横跨整个北美洲进行陆地转场，然后在卡纳维拉尔角进行再次发射的情况了：
接着，一辆长得非常像擎天柱大哥的大卡车，将B1048装到托架上，横穿整个北美洲，把她从加利福尼亚州范登堡空军基地的第4发射场的4E工位运到了佛罗里达州的卡纳维拉尔角第40发射场。
小火箭开了一下导航看了看，这一路，不眠不休地开至少40个小时才能到。
走I-10W公路会好一些。这就是德克萨斯州（或译 得克萨斯州 以便与 山东德州市分开）和新墨西哥州的人有时候会拍到猎鹰9号运载火箭躺在大卡车里赶路的场景的原因。
全程2719英里，也就是4376公里。这个距离，相当于火星赤道半径的1.3倍。
北京市到上海市的里程，为1318公里，猎鹰9号运载火箭的第一级B1048从范登堡空军基地转场到卡纳维拉尔角，相当于跑了3.3趟京沪线。
总体来说，猎鹰9号运载火箭Block V型的货运发射间隔，在2个月零13天到8个月零22天之间。
那么，硕大的海上回收平台，是如何转场的呢？
答：和大型军舰一样，通过巴拿马运河。
巴拿马运河，是沟通大西洋和太平洋的关键水路。
自1914年运河开航一百多年以来，这条82公里长的运河为人类的航运贡献了巨大的力量。
然而，受一百多年前的技术水平和大自然的先决条件的限制，巴拿马运河的通航宽度是有限的。
百年来，巴拿马极限成为了人类各类大型船舶的一项设计限制。
以往，长度320米，宽度33米，吃水13米，这个限制，就是巴拿马船闸通航的极限了。
想要同时称霸大西洋和太平洋的军舰或者畅行全球的巨轮，基本上都充分尊重了这个极限。
上图为密苏里号战列舰正在穿过巴拿马运河的场景。
该照片摄于公元1945年10月13日。
该舰一个多月前刚刚在东京接受了日本的无条件投降，如今正准备穿过巴拿马运河，从太平洋开到大西洋，然后一路北上到纽约去参加庆典。
密苏里号战列舰属于衣阿华级，该级战列舰的宽度为32.97米，就是瞄着巴拿马极限的33米宽度限制来的。
设计师力图在吨位上不打折扣，从而催生了这款长宽比相当大的瘦长型的战列舰。
近些年来，巴拿马运河的拓宽工程一直就没有停歇过。
不过，对于宽度超过52.12米的SpaceX公司海上回收平台来说，巴拿马运河还是有点窄。
好在平台设计师早有考虑。
猎鹰9号火箭的海上回收平台的甲板可拆卸折叠，其折叠后的宽度，刚好满足巴拿马运河的通航要求。
上图为折叠甲板后的仅需阅读说明号在拖船的拖拽下通过巴拿马运河时的场景，摄于2019年8月18日。
上图从左到右：现役海上回收平台、未来的星舰海上回收平台、福特号核动力航空母舰。
3号船
探索号
探索号在2004年下水，在2014年成为SpaceX公司的海上回收舰队的领舰。
探索号，长53米，宽12米。
探索号自加入SpaceX公司以来，参与了几乎所有的猎鹰9号运载火箭的发射。
她为1号船和2号船，也就是两艘海上回收平台提供全方位的技术支持和安全补给保障。
从上图可见，这是一艘典型的保障船舶。
另外，探索号的后甲板上有卫星天线，能够为猎鹰9号运载火箭的一级再入提供中继通信支持，因此来提升一级再入返回的下行数据和上行指令的传输可靠性。
虽然探索号出于种种原因，采取了低调化的涂装，跟大量货船和其他公司的保障船可以无差别融入，但是其行动踪迹与猎鹰9号运载火箭发射活动的高度相关性还是暴露了她的真正使命。
由此，大家可以通过观察探索号的行动来判断猎鹰9号运载火箭的发射情况。
如果不是专门的训练活动的话，该船出港36小时后，通常就意味着会有一枚猎鹰9号火箭拔地而起。
注意看上图船艉的两个白色扶梯。
这是SpaceX的工作人员从海上回收平台登上探索号之后来使用的。
拖船把海上回收平台送入预定海域后，工作人员需要在猎鹰9号运载火箭的第一级返回之前进行撤离。
所有的撤离活动，都是探索号这艘船来实施的。
4号船
NRC 探索号
NRC 探索号，长52米，宽11米，是货运版龙飞船的回收船。
2017年，小火箭有一份报告，题为《为了科学研究：我们需要更多的航空母舰》，讲述了人类使用航空母舰来支持飞船的海上回收的历史。
上图的航母编队中有4艘大舰：美国的约翰·C·斯坦尼斯号航空母舰（USS CVN-74，尼米兹级核动力航空母舰的7号舰）、法国的戴高乐号航空母舰（法国拥有的第十艘航空母舰、法国唯一的一艘核动力航空母舰）、美国的肯尼迪号航空母舰（USS CV-67，小鹰级航空母舰的4号舰，美国最后一艘常规动力航空母舰）、英国的海洋号两栖攻击舰（英国皇家海军旗舰、带有全通甲板的直升机航空母舰）。
1965年12月18日，两名双子座12号飞船的宇航员被接到胡蜂号航空母舰上。
上图为提康德罗加号航空母舰上的直升机正在救起宇航员，并将在稍后回收指挥舱。这是阿波罗计划的最后一次载人登月。
说了这么多，总之就是：航空母舰不仅仅能够在平时或者战时发挥威慑以及实战的作用，实际上其本身也是一个巨大的科学研究设备。在人类的太空探索事业前进的步伐中，航空母舰编队的搜救作用不容小觑。
大黄蜂号航空母舰搜救阿波罗11号飞船的珍贵视频资料：
NRC探索号于2015年加入SpaceX公司，这艘在2002年下水的船只让货运版龙飞船的回收不再依赖于海军。
2015年，货运版龙飞船的第5次国际空间站补给任务成功。
货运版龙飞船是人类首款可重复使用的货运飞船。
具备货物从空间站到地球的下行能力，为涉及生物技术和材料科学相关的研究有了新的平台。
货运版龙飞船采用和神舟飞船不同的返回方案，用群伞+海上溅落方式。
另注：溅落，是太空领域的专业词汇，特指人造卫星、飞船、火箭等飞行器再入稠密大气后，按预定弹道落入海洋的返回动作。
上图为阿波罗15号载人飞船溅落在太平洋的瞬间。这水花四溅的场景，让溅落这个词，名副其实。
NRC探索号在预定海域蹲守，往往是目视可见货运版龙飞船的再入末段。
船舶驾驶员把船开到货运版龙飞船所在海域，用打捞吊车把飞船吊装到后甲板上，就可以带回家了。
NRC探索号的甲板上的白色舱段是干什么用的呢？
咱们换个角度来看就明白了：
哈！其实就是个小棚子。
另外，NRC探索号上面同样有遥控遥测设备，能够在需要的时候，为猎鹰9号运载火箭提供支持。
按小火箭的数据库统计，在SpaceX公司发射二代铱星的第4批和第5批卫星的时候，该船都参与了测控。
5号船
搜索号
搜索号，是SpaceX公司的新船，2010年开工，2016年交付使用。
从该船的配色来看，大家或许已经能够猜到其用途了：
没错！搜索号就是回收载人版龙飞船的专用船舶。
在载人版龙飞船尚未碰触到海面的时候，搜救人员已经赶到了旁边，在静候飞船溅落的瞬间。
随后，搜救人员乘坐小艇靠近龙飞船。
长52米，宽11米的搜索号把龙飞船吊起。
实现了安全回收的龙飞船。
搜索号与NRC探索号的不同有两点，一是多了一个直升机起降平台，方便在紧急情况下对宇航员实施快速运输施救；二是有一个医疗方舱，代替了货运版龙飞船回收船舶的那个简易小棚子。
搜索号动力强劲，船速较快，雷达也比货运版龙飞船的回收船好得多，同时还有一个快艇小分队。
而搜索号，还成功完成了额外任务：
回收整流罩。
第一批星链和阿星-6A的整流罩，都被搜索号完好地收了回来。
这算是在进行载人版龙飞船的回收任务之前的热身锻炼吧。
嗯，其实她已经成功参与了12次整流罩回收任务了。
这家伙的副业比主业干得还更加风生水起。
6号船
领航员号
领航员号和搜索号的配置几乎相同，她们为姊妹舰。
5号船搜索号为载人龙飞船主回收船，6号船领航员号为载人龙的备份回收船。
和搜索号类似，领航员号也进行了一些整流罩回收作业。
领航员号迄今为止，已成功回收5块整流罩。
其中，第一批星链卫星发射的两块整流罩，由她和搜索号各自捞出了一个瓜瓣，刚好凑成一对。
7号船
树女士
树女士，原名史蒂夫先生，是SpaceX舰队中的整流罩专用回收船。
该船原本是墨西哥湾石油行业巨头用于快速反应和多用途搜救的船舶。
SpaceX公司看中了该船1.03万马力的动力和32节的航速，入手了。
他们给树女士加装了四个巨大的支撑臂，顶部撑起了一张面积达3596平方米的大网，用来试图接住从天而降的整流罩。
上图为猎鹰9号运载火箭的整流罩，可以和旁边身高为1.78米的泰勒按比例对照一下，获得直观感受。
没被大网接住的整流罩，其实还有捞取的机会。
正在出海准备接整流罩的树女士号。
2019年8月25日，树女士成功回收了一块猎鹰9号运载火箭的整流罩瓜瓣。
**8号船
**
女酋长
女酋长是树女士的姊妹船，同样长62.51米，宽10.38米，排水量496吨。
9号船
劳伦·福斯
她是海上回收平台的拖船，通常拖的是仅需阅读说明号。
10号船
芬恩·法格特
这是另外一艘拖船。
至此，小火箭完成对SpaceX任务支援舰队的全部介绍。
凡10艘船：
其中2艘由动力驳船改造而成的一级火箭海上回收平台（仅需阅读说明号、当然我依然爱你号）；
1艘综合保障船（探索号）；
1艘货运版龙飞船回收船（NRC探索号）；
2艘载人版龙飞船回收船（搜索号、领航员号）；
2艘整流罩回收船（树女士、女酋长）；
2艘拖船（劳伦·福斯、芬恩·法格特）。
迄今为止，共进行猎鹰系列运载火箭的第一级海上回收尝试43次，成功34次，成功率为79.1%。
小火箭觉得，海上的船和星辰大海中的飞船，都是美的。
热爱航海的人，往往也真的会热爱航天。
因为这种美，不是源自我们与某一事物的相互占有，而是源自一种对未知的探索热情和对真理的本能向往。
全文结束！感谢大家！
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