獵鷹九號(hào)一箭三飛，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用時(shí)代！

+ 梁昊鵬

1、任務(wù)簡(jiǎn)介

太平洋標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間2018年12月3日上午10點(diǎn)34分（北京時(shí)間12月4日凌晨2點(diǎn)34分），太空探索技術(shù)公司成功從范登堡空軍基地發(fā)射助推器編號(hào)為B1046.3的獵鷹9號(hào)全推力5型火箭，執(zhí)行代號(hào)為SSO-A的飛行任務(wù)（如圖1.1）。本次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)重大目標(biāo)：成功部署了64個(gè)載荷，打破了美國(guó)一次性部署載荷數(shù)量的記錄；成功完成了全推力5型（Full Thrust Block 5）一級(jí)火箭的第三次飛行和再入回收。第三次復(fù)用的成功，標(biāo)志著太空探索技術(shù)公司距離火箭的標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用又近了一步。

圖1 SSO-A任務(wù)徽章

本次任務(wù)取名為“太陽(yáng)同步軌道A：小衛(wèi)星速遞”，火箭使用太空飛行公司（SpaceFlight）設(shè)計(jì)制造的集成載荷棧（integrated payload stack）攜帶了64枚載荷，包括來(lái)自德國(guó)、巴西、芬蘭等17個(gè)國(guó)家的小衛(wèi)星和洛杉磯藝術(shù)博物館資助的實(shí)驗(yàn)性藝術(shù)項(xiàng)目“以諾”（ENOCH）。火箭升空7分45秒后，一級(jí)成功降落在海上平臺(tái)上。在升空后的43分鐘內(nèi)，運(yùn)載器完成了對(duì)載荷的6次初步部署。所有載荷在火箭升空后7小時(shí)內(nèi)通過(guò)載荷棧完成了最終部署，到達(dá)預(yù)定位置。太空探索技術(shù)公司在本次發(fā)射中再次嘗試了對(duì)整流罩的回收。公司CEO馬斯克表示，整流罩在這次回收中雖然沒(méi)能準(zhǔn)確落至回收網(wǎng)內(nèi)，但已能平緩的落至海面。另有業(yè)內(nèi)人士分析，由于海水可能對(duì)整流罩內(nèi)的電子器件產(chǎn)生破壞，這枚整流罩可能無(wú)法再次使用。

這次任務(wù)并不是太空探索技術(shù)公司在2018年的收官之作。太平洋時(shí)間12月5日，助推器編號(hào)B1050.1的獵鷹9號(hào)火箭成功執(zhí)行了代號(hào)為CRS-16的龍飛船發(fā)射任務(wù)，為國(guó)際空間站運(yùn)送補(bǔ)給物資；但在再入回收過(guò)程中，這枚火箭驅(qū)動(dòng)?xùn)鸥穸娴囊簤河捅猛＾D(zhuǎn)，導(dǎo)致火箭回收失敗。這次任務(wù)也是獵鷹9號(hào)火箭從2016年6月以來(lái)唯一失敗的回收。另外，太空探索技術(shù)公司預(yù)計(jì)于12月18日再次開(kāi)展發(fā)射任務(wù)，使用一枚全新的獵鷹九號(hào)火箭將美國(guó)空軍的GPS IIIA-01衛(wèi)星發(fā)射至中地球軌道（MEO）。

2、獵鷹9號(hào)的總體參數(shù)概述

獵鷹9號(hào)是由美國(guó)太空探索技術(shù)公司設(shè)計(jì)和制造的二級(jí)火箭，也是世界上第一款具有軌道運(yùn)輸能力的可重復(fù)使用火箭。截至2018年12月5日，該型火箭總共進(jìn)行了64次發(fā)射。自2010年6月第一次發(fā)射至今，太空探索技術(shù)公司對(duì)該火箭進(jìn)行了4次重大的更新升級(jí)。目前，獵鷹9號(hào)的在役版本為全推力5型，火箭直徑3.7米，在配備整流罩以搭載衛(wèi)星時(shí)全高70米，總質(zhì)量549.1噸。其低地球軌道（GEO）運(yùn)載能力為22.8噸；地球靜止軌道轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)載能力8.3噸。

圖2 火箭結(jié)構(gòu)示意圖

獵鷹9號(hào)全推力5型火箭為兩段式結(jié)構(gòu)，如圖2所示?；鸺囊患?jí)與二級(jí)之間有一中間級(jí)（interstage），用于級(jí)間的分離和連接?；鸺诖钶d“龍”飛船時(shí)，不需要使用整流罩；而在搭載衛(wèi)星及其他載荷時(shí)，則需使用高13.1米，直徑5.2米的整流罩為載荷提供保護(hù)?；鸺募硎褂酶邚?qiáng)度鋁-鋰合金制造；一級(jí)火箭的推進(jìn)劑貯箱則以鋁合金為材料、使用摩擦攪拌焊接的方式制造。推進(jìn)劑貯箱為聯(lián)體設(shè)計(jì)，上半部分為硬殼構(gòu)型的液氧貯箱，下半部分則為蒙皮骨架構(gòu)型的煤油貯箱；液氧貯箱使用穿過(guò)煤油貯箱中間的隔熱傳輸管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。二級(jí)火箭的推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)與一級(jí)火箭貯箱類(lèi)似。連接一二級(jí)火箭的中間級(jí)使用碳纖維面板包夾蜂窩鋁芯層的復(fù)合材料制造，具有多項(xiàng)功能：一用于分離火箭的一級(jí)與二級(jí)，二則為二級(jí)火箭的大擴(kuò)張比發(fā)動(dòng)機(jī)提供安裝空間。火箭一、二級(jí)分離時(shí)，中間級(jí)與二級(jí)火箭下部脫開(kāi)，隨一級(jí)火箭再入回收。

獵鷹9號(hào)全推力5型的一級(jí)火箭并聯(lián)安裝有9臺(tái)梅林1D強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)長(zhǎng)162秒，海平面推力7607千牛，真空推力8227千牛，具有自主回收和復(fù)用能力。梅林發(fā)動(dòng)機(jī)為燃?xì)獍l(fā)生器型的液氧-煤油雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)海平面推力845千牛，真空推力914千牛；具有多次點(diǎn)火能力和推力調(diào)節(jié)能力。以太空探索技術(shù)公司2015年發(fā)布的數(shù)據(jù)為例，梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)（未強(qiáng)化版）海平面推力調(diào)節(jié)范圍為529千牛到756千牛，推力的可調(diào)節(jié)范圍占最大推力的30%?；鸺患?jí)通過(guò)控制9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的推力和上部柵格舵提供的氣動(dòng)力，保持再入時(shí)姿態(tài)與航跡的穩(wěn)定，完成地面及海面的定點(diǎn)降落。同時(shí)，火箭的并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)也提供了很高的可靠性，能夠在任意一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失去推力的情況下將載荷送入軌道。

圖3 一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

獵鷹9號(hào)全推力5型的二級(jí)火箭僅安裝一臺(tái)真空梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)長(zhǎng)397秒，真空推力934千牛，推力可以從360千牛調(diào)節(jié)至934千牛。二級(jí)火箭裝備冗余點(diǎn)火系統(tǒng)，以保證穩(wěn)定的多次點(diǎn)火能力；從而能夠多次機(jī)動(dòng)將不同載荷部署在預(yù)定的不同軌位。

獵鷹9號(hào)火箭使用地面固定發(fā)射裝置發(fā)射。目前，位于美國(guó)西海岸的范登堡空軍基地與位于美國(guó)東海岸的約翰肯尼迪航天中心及卡納維拉爾角空軍基地均能支持該型火箭發(fā)射。由于使用九臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作，獵鷹9號(hào)采用了延遲釋放發(fā)射方式以保證發(fā)射安全。火箭點(diǎn)火以后，直到火箭各個(gè)系統(tǒng)的正常工作信號(hào)得到確認(rèn)，發(fā)射機(jī)構(gòu)才會(huì)釋放火箭。

3、愈發(fā)明晰的標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用前景

12月3日的一箭三飛讓埃隆·馬斯克和太空探索技術(shù)公司制造標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用火箭的前景更加明晰。全推力5型火箭作為獵鷹9號(hào)的定型產(chǎn)品，是承接該公司現(xiàn)在與未來(lái)的關(guān)鍵橋梁。在2018年5月全推力5型第一次發(fā)射前的電話記者發(fā)布會(huì)上，馬斯克表示，在太空探索技術(shù)公司完成“大獵鷹火箭”（Big Falcon Rocket）之前，B5版本將是獵鷹9號(hào)最終的最終型號(hào)。

據(jù)馬斯克所述，在設(shè)計(jì)上，全推力5型能夠在不進(jìn)行重大翻新的前提下執(zhí)行超過(guò)10次飛行任務(wù)。太空探索技術(shù)公司也相信，全推力5型實(shí)際上能夠勝任100次以上的飛行。

按照馬斯克的規(guī)劃，在2018年底，太空探索技術(shù)公司將能完成10次全推力5型火箭的發(fā)射。而在2019年，則真正實(shí)現(xiàn)獵鷹9號(hào)的快速標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用——即在24小時(shí)內(nèi)使用同一枚芯級(jí)完成兩次發(fā)射。在未來(lái)的五年內(nèi)，太空探索技術(shù)公司希望能夠使用獵鷹9號(hào)進(jìn)行300次左右的發(fā)射，將該型產(chǎn)品打造成公司的經(jīng)濟(jì)支柱。而在這之后，大獵鷹火箭將能夠取代現(xiàn)役的獵鷹9號(hào)和重型獵鷹，幫助馬斯克實(shí)現(xiàn)他將人類(lèi)改造為跨星際物種的夢(mèng)想。

3.1 復(fù)用技術(shù)的升級(jí)

在獵鷹9號(hào)火箭的發(fā)展過(guò)程中，全推力版本的推出標(biāo)志著火箭的總體設(shè)計(jì)基本定型。從2016年3月4日發(fā)射第一枚全推力型獵鷹9號(hào)開(kāi)始，太空探索技術(shù)公司總共制造了28枚共3個(gè)型號(hào)的獵鷹9號(hào)全推力型火箭，進(jìn)行了44次成功的發(fā)射。在這44次發(fā)射中，太空探索技術(shù)公司嘗試并成功進(jìn)行了31次回收，另失敗3次。在回收的火箭中，14枚火箭成功進(jìn)行了復(fù)飛，另有兩枚火箭改裝成重型獵鷹火箭的助推器再次升空。12月3日的發(fā)射任務(wù)更是完成了火箭的3次復(fù)用。獵鷹9號(hào)從剛出生時(shí)的屢戰(zhàn)屢敗一路走來(lái)，已經(jīng)成為一款能夠穩(wěn)定執(zhí)行發(fā)射、回收、復(fù)用任務(wù)的革命性運(yùn)載器。而如今，業(yè)界關(guān)心的，也不再是火箭能否復(fù)用；而是火箭能夠承擔(dān)的復(fù)用次數(shù)和復(fù)用所需的時(shí)間間隔。

獵鷹9號(hào)全推力火箭共有三個(gè)主要型號(hào)，即基本型、4型與5型?；拘突鸺^早期的v1.0及v.1.1版本有大量的升級(jí)，包括改換梅林1-D發(fā)動(dòng)機(jī)，降低燃料存儲(chǔ)溫度，優(yōu)化柵格舵、著陸支架和發(fā)動(dòng)機(jī)布局等等。而全推力4型則是基本型與5型之間的過(guò)渡版本。全推力5型一方面升級(jí)了梅林1-D發(fā)動(dòng)機(jī)，將發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高了8%；另一方面，針對(duì)復(fù)用的可靠性與快速性進(jìn)行了升級(jí)。包括：

1）強(qiáng)化了柵格舵的抗溫能力；

2）在一級(jí)火箭外部增加熱保護(hù)層，以減小再入加熱對(duì)火箭的損傷；

3）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門(mén)進(jìn)行優(yōu)化，增加其工作壽命；

4）重新設(shè)計(jì)了復(fù)合材料的高壓氦氣瓶，防止低溫液氧對(duì)其造成破壞；

5）使用螺接方式制造一級(jí)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)——OctaWeb，以縮短制造時(shí)間。

3.2 復(fù)用可靠性的提升

太空探索技術(shù)公司不斷地對(duì)獵鷹9號(hào)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)以提升其復(fù)用性能。而從獵鷹9號(hào)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的情況來(lái)看，其復(fù)用性能也確實(shí)在不斷提高。目前，太空探索技術(shù)公司總共制造了16枚全推力基本型火箭，7枚全推力4型火箭與5枚全推力5型火箭；分別執(zhí)行了23次、12次、9次發(fā)射任務(wù)。其中，全推力基本型火箭的復(fù)用比例為56.3%（9枚/16枚）；全推力4型火箭的復(fù)用比例上升至71.4%（5枚/7枚）。而全推力5型目前尚在服役，除去回收失敗的B1050.1火箭，按計(jì)劃其余火箭均將進(jìn)行多次復(fù)飛。全推力基本型獵鷹9號(hào)復(fù)用比例較低的原因來(lái)源于運(yùn)力問(wèn)題。由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力不足，全推力基本型獵鷹9號(hào)在執(zhí)行大質(zhì)量載荷GTO軌道運(yùn)輸任務(wù)時(shí)常常沒(méi)有足夠的燃料再入并精確降落，而這一問(wèn)題在全推力4型火箭上依然存在。隨著全推力5型火箭換用梅林1D強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，獵鷹9號(hào)運(yùn)送GTO載荷并返回的能力在2018年7月22日的任務(wù)中得到了驗(yàn)證。在這次任務(wù)中，獵鷹9號(hào)將這一運(yùn)載能力從5噸提升至7噸，從而能夠勝任絕大部分發(fā)射商用載荷的任務(wù)并復(fù)用。

表一 獵鷹9號(hào)發(fā)射情況統(tǒng)計(jì)

表二 獵鷹9號(hào)復(fù)用時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)

3.3 復(fù)用時(shí)間間隔不斷縮短

從復(fù)用時(shí)間上來(lái)看，不考慮改裝為重型獵鷹助推級(jí)的兩枚火箭，獵鷹9號(hào)全推力火箭（基本型）的平均復(fù)用間隔為226天；而全推力4型的平均復(fù)用間隔則為176天；到全推力5型，這一指標(biāo)進(jìn)一步縮短到95天。

雖然說(shuō)火箭的復(fù)用時(shí)間間隔既會(huì)在與火箭使用方的對(duì)接中產(chǎn)生波動(dòng)，也會(huì)由于發(fā)射窗口原因而不能完全反應(yīng)火箭真實(shí)的檢修維護(hù)時(shí)間，但平均復(fù)用時(shí)間間隔的大幅度縮短依然反應(yīng)出獵鷹9號(hào)復(fù)用時(shí)間效率的提升。平均復(fù)用時(shí)間間隔的快速縮短一方面來(lái)自于太空探索技術(shù)公司針對(duì)火箭復(fù)用可靠性進(jìn)行的大量改進(jìn)；另一方面，也來(lái)自太空探索技術(shù)公司火箭在一次次的發(fā)射中對(duì)火箭復(fù)用檢修程序的優(yōu)化。

一般來(lái)說(shuō)，一枚火箭在完成組裝和測(cè)試后，仍需要10天到30天左右的時(shí)間完成與衛(wèi)星的對(duì)接。除非太空探索技術(shù)公司能采用全新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)火箭與衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)接，否則馬斯克很難在明年實(shí)現(xiàn)其24小時(shí)內(nèi)完成復(fù)用的目標(biāo)。當(dāng)然，將復(fù)用的時(shí)間縮短至30-45天依然有很大希望；而這一點(diǎn)，已足夠再一次撼動(dòng)目前的航天發(fā)射市場(chǎng)，讓獵鷹9號(hào)無(wú)論從性能、發(fā)射價(jià)格以及發(fā)射次數(shù)上達(dá)到對(duì)其它型號(hào)火箭的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

4、總結(jié)

太空探索技術(shù)公司在18年年末的SSO-A任務(wù)中完成了獵鷹9號(hào)火箭的一箭三飛和回收，樹(shù)立了獵鷹9號(hào)火箭發(fā)展的又一個(gè)里程碑。而通過(guò)對(duì)歷史發(fā)射數(shù)據(jù)的分析也表明，太空探索技術(shù)公司通過(guò)對(duì)獵鷹9號(hào)的不斷更新升級(jí)，確實(shí)提高了該型火箭的復(fù)用可靠性與快速性。由此，埃隆·馬斯克距離其火箭標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用的夢(mèng)想也越來(lái)越近。