“獵鷹重型”火箭成功首飛及其未來應(yīng)用前景分析

龍雪丹 曲晶 楊開 （北京航天長征科技信息研究所）

北京時間2018年2月7日4：45，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在位于卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發(fā)射了首枚“獵鷹重型”火箭，這是目前世界上運載能力最大的運載火箭，任務(wù)中成功陸地回收了兩枚助推器，但芯級海上回收失敗。該任務(wù)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

1 首次驗證飛行情況

此次發(fā)射的首枚“獵鷹重型”火箭，將一輛改裝過的紅色“特斯拉”電動跑車發(fā)射升空，任務(wù)中火箭運行情況良好，按照預(yù)定目標完成了火箭的一級點火、升空、助推器分離、芯級與二子級分離、二子級點火等動作，雖然最終火箭未將攜帶的有效載荷部署到目標的地火轉(zhuǎn)移軌道，而是將其送入一條地球逃逸軌道，但本次任務(wù)仍然實現(xiàn)了大部分驗證目標。

首飛任務(wù)中對芯級、兩枚助推器進行了回收，其中兩枚助推器完成工作后與芯級分離，隨后掉頭飛回位于卡納維拉爾角的著陸平臺，并呈編隊方式幾乎同時著陸。芯級在與二子級分離后，瞄準部署在大西洋上名為“當然我依然愛你”的海上平臺進行回收。芯級在返回過程中，原計劃應(yīng)該有3臺發(fā)動機重啟，但實際僅有1臺點火成功，芯級最后以480km/h的速度墜落在海面上，落點距離海上回收平臺大約100m，未能實現(xiàn)回收。

首飛“獵鷹重型”火箭捆綁的兩枚助推器為此前太空探索技術(shù)公司回收的獵鷹－9火箭一子級，分別是2016年5月27日泰國通信衛(wèi)星－8（Thaicom－8）發(fā)射任務(wù)中通過海上回收的B1023.2，以及2016年7月18日龍－CRS－9（Dragon－CRS－9）國際空間站任務(wù)中通過陸地回收的B1025.2。為了實現(xiàn)與芯級的連接，兩枚助推器分別加裝了鼻錐和前、后安裝點，同時芯級為了承受額外的應(yīng)力做了重新設(shè)計，增加了結(jié)構(gòu)強度。但未使用此前宣稱的交叉輸送技術(shù)。

“獵鷹重型”火箭首飛搭載的“特斯拉”跑車

據(jù)報道，作為此次有效載荷的“特斯拉”電動跑車的質(zhì)量約為1250kg，長度將近3.9m，寬約1.7m，遠遠低于“獵鷹重型”火箭的運載能力和整流罩空間。

“獵鷹重型”火箭的首次試驗飛行時間一推再推，由原定的2013年推遲到現(xiàn)在，其研制進展并不一帆風順。馬斯克曾承認構(gòu)建重型火箭的困難遠超出他們的想象，有許多技術(shù)無法在地面試驗中進行驗證，導(dǎo)致其首飛時間比最初計劃推遲了幾年。在發(fā)射任務(wù)結(jié)束后的發(fā)布會上，馬斯克表示因研制難度過大，公司曾3次想取消“獵鷹重型”項目。同時，馬斯克稱“獵鷹重型”火箭的研制投入大約為5億美元。

2 “獵鷹重型”火箭技術(shù)方案及特點

火箭方案概述

“獵鷹重型”火箭項目于2011年4月正式啟動，是在獵鷹－9火箭基礎(chǔ)上研制的，其設(shè)計目標是將每磅有效載荷送入軌道的成本從10000美元降低到1000美元，原本計劃可滿足載人飛行的要求，能夠發(fā)射太空探索技術(shù)公司自行研制的“天龍座”飛船，用于載人旅行及深空探索。不過在首飛任務(wù)時，公司透露將取消“獵鷹重型”火箭的載人飛行方案。成本目標目前也未達到。

“獵鷹重型”火箭采用二級結(jié)構(gòu)，捆綁2枚助推器，火箭全長70m，最大直徑12.2m，起飛推力22819kN，火箭的低地球軌道（LEO）運載能力63.8t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運載能力26.7t，是NASA航天飛機運貨能力的2倍?！矮C鷹重型”火箭的標稱運載能力隨著其研制的推進而不斷演變。

本次試飛的主要目的是驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性，所搭載的有效載荷質(zhì)量與其標稱的運載能力相差甚遠?！矮C鷹重型”火箭當前可能還達不到官方宣稱的運載能力。

“獵鷹重型”火箭標稱運載能力演變歷程和獵鷹－9火箭運載能力對比 t

（1）一子級

“獵鷹重型”火箭的一子級由3個改進型獵鷹－9一子級捆綁組成，即采用芯級加2枚捆綁助推器的構(gòu)型。芯級和每枚助推器都使用9臺隼－1D發(fā)動機。

隼－1D發(fā)動機是在隼－1C基礎(chǔ)上研制的，為執(zhí)行未來載人任務(wù)采用結(jié)構(gòu)和熱防護安全設(shè)計。應(yīng)用于獵鷹－9火箭一子級和“獵鷹重型”火箭的芯級及助推級。隼－1D發(fā)動機使用了先進的制造技術(shù)和材料，具備很好的耐久性和很高的余量，允許其在更高的推力、壓力、溫度條件下運行。改進之后，用于一子級的隼－1D發(fā)動機最大海平面推力達到756kN，真空推力達到825kN，比“隼”發(fā)動機初始型提升16%。

隼－1D發(fā)動機

“獵鷹重型”運載火箭總體技術(shù)參數(shù)

“獵鷹重型”運載火箭各級技術(shù)參數(shù)

隼－1D發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

隼－1D真空發(fā)動機

（2）二子級

“獵鷹重型”火箭二子級采用1臺隼－1D真空發(fā)動機，基本狀態(tài)與隼－1D發(fā)動機類似，但為了適應(yīng)真空飛行工況，采用面積比達到117﹕1的大噴管。這使得該發(fā)動機比沖高達348s，推力也提高到了934kN。此發(fā)動機具備多次點火的能力，大大增強了其對于任務(wù)的適應(yīng)能力。

隼－1D真空發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

（3）整流罩

“獵鷹重型”火箭的整流罩與獵鷹－9火箭整流罩一致。采用兩瓣式構(gòu)型，使用蜂窩鋁芯材料和碳纖維面板制造。整流罩高13.1m，直徑5.2m，質(zhì)量約2.5t。縱向連接采用機械鎖機構(gòu)鎖緊，接收到分離指令后，高壓氦氣驅(qū)動機械鎖，解除縱向連接，高壓氦氣繼續(xù)驅(qū)動推沖器（4個）直至將兩瓣整流罩推開。

“獵鷹重型”火箭整流罩

技術(shù)特點

（1）采用重復(fù)使用技術(shù)

為從根本上解決航天發(fā)射成本高、效率低的問題，太空探索技術(shù)公司于2011年宣布在現(xiàn)有獵鷹－9火箭基礎(chǔ)上，分階段驗證可重復(fù)使用技術(shù)。公司總裁格溫·肖特維爾稱，重復(fù)使用技術(shù)的經(jīng)濟可行性可通過快速復(fù)用才能體現(xiàn)。復(fù)用一子級的成本不到新造一子級的一半，并且未來隨著維修階段的翻新工作不斷減少，有望節(jié)省更多的成本。

目前，太空探索技術(shù)公司已實現(xiàn)獵鷹－9火箭一子級的可重復(fù)使用，在此次“獵鷹重型”火箭首飛任務(wù)中也成功完成了2枚助推器的回收。不過，作為試驗驗證飛行任務(wù)，未能成功實現(xiàn)芯級的回收。但“獵鷹重型”火箭從整體上大幅提升重復(fù)使用率，以發(fā)動機數(shù)量而言，全箭28臺發(fā)動機中有27臺能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)用，復(fù)用率達到了96%。

另外，太空探索技術(shù)公司還在探索整流罩的重復(fù)使用技術(shù)，整流罩的成本約600萬美元。在任務(wù)結(jié)束后的發(fā)布會上，馬斯克表示整流罩的回收難度比較大，希望在未來半年時間內(nèi)解決這一難題。

“獵鷹重型”火箭投入使用后，以其強大的運載能力，再利用重復(fù)使用技術(shù)，將能夠為美國國家航空航天局（NASA）的深空探索和發(fā)展目標提供能力支撐，對經(jīng)濟可承受性產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。

（2）采用新研的自主飛行安全系統(tǒng)

為了實現(xiàn)“獵鷹重型”火箭的回收任務(wù)，采用了新研發(fā)的“自主飛行安全系統(tǒng)”（AFSS）。在“獵鷹重型”火箭發(fā)射任務(wù)中，芯級和2枚助推器都將受控返回地面。但是受設(shè)備限制，負責卡納維拉爾角發(fā)射測控跟蹤任務(wù)的美國空軍第45航天聯(lián)隊只能同時跟蹤2個飛行目標。而采用“自主飛行安全系統(tǒng)”則不會受到跟蹤目標數(shù)量的限制，依靠箭上的GPS設(shè)備來判斷火箭是否偏離了預(yù)定的安全飛行路線，如果出現(xiàn)了偏離無法挽救后，該系統(tǒng)就會自行下達自毀指令。

這種自主化的跟蹤技術(shù)不僅可以大幅降低發(fā)射成本，而且還可以縮短發(fā)射時間。該系統(tǒng)只需要82名工作人員，且可以簡化大部分地面設(shè)施，而舊系統(tǒng)則需要245名工作人員。在顯著降低發(fā)射成本的同時，有效縮短了空軍用來準備發(fā)射的時間。

此外，和傳統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)相比，“自主飛行安全系統(tǒng)”還能夠擴展跟蹤范圍。該系統(tǒng)下達指令的速度更快，相比人工操作，自主化操作方式能夠提前數(shù)秒完成火箭的自毀。如果應(yīng)用到載人火箭上，該系統(tǒng)的運作方式大致相同，但在火箭自毀之前，將為乘員逃離留出時間。

（3）具備高安全性的冗余設(shè)計

“獵鷹重型”運載火箭繼承了獵鷹－9火箭的冗余設(shè)計，能夠在多臺發(fā)動機發(fā)生故障的情況下繼續(xù)工作并完成發(fā)射任務(wù)，結(jié)構(gòu)安全余量設(shè)計達40%，而其他不載人火箭的安全余量為25%。除滿足貨物運輸?shù)陌l(fā)射需求外，也能夠滿足載人航天飛行的要求。

該設(shè)計在獵鷹－9火箭上得以驗證。2012年10月7日，獵鷹－9火箭在執(zhí)行國際空間站任務(wù)中，火箭飛行約79s后，一子級1臺發(fā)動機突然失壓，發(fā)動機關(guān)機。隨后，為保護一子級發(fā)動機和其他發(fā)動機，發(fā)動機艙開始釋放壓力，故障發(fā)動機未發(fā)生爆炸，并能持續(xù)收到其數(shù)據(jù)，其他8臺發(fā)動機工作正常。在這種情況下依然成功完成了主要任務(wù)，證明了火箭的冗余設(shè)計的有效性。

（4）計劃上面級采用先進甲烷發(fā)動機

“獵鷹重型”火箭是一種全面使用液氧/煤油發(fā)動機的火箭，但計劃未來上面級使用該公司自主研制的先進甲烷發(fā)動機—“猛禽”，以實現(xiàn)未來使用“獵鷹重型”運載火箭執(zhí)行火星探測任務(wù)的目標。

太空探索技術(shù)公司在2009年提出“猛禽”發(fā)動機的研制計劃，最初選擇“液氧/煤油”作為推進劑，后改為“液氧/甲烷”，計劃用于獵鷹－9和“獵鷹重型”火箭的上面級。該發(fā)動機將為可重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機，采用全流量分級燃燒循環(huán)方式，其氧化劑和燃料在進入燃燒室前均呈氣態(tài)，最初設(shè)計推力為3000kN，但在2017年宣布對“猛禽”發(fā)動機的設(shè)計進行了修改，減小了設(shè)計尺寸，推力也從3000kN減小到1700kN。

目前，該公司已對“猛禽”發(fā)動機進行了42次重要試車，累計點火時長達1200s，單次最長達100s。但馬斯克表示該發(fā)動機的工作時間可以遠超100s，目前100s的水平只是受試車用的貯箱尺寸所限。

（5）曾計劃采用交叉輸送技術(shù)，未來該技術(shù)是否取消尚不確定

“獵鷹重型”火箭在最初提出方案時就宣布要采用“交叉輸送”技術(shù)，即采用外圍捆綁助推器向中間芯級“交叉輸送”推進劑的方式。

根據(jù)太空探索技術(shù)公司的介紹，“獵鷹重型”火箭將是一種使用“交叉輸送”技術(shù)的運載火箭，它可以在火箭助推器和芯級之間實現(xiàn)推進劑的對流，可保證助推器分離時，芯級仍有最多的推進劑，使其達到三級火箭的性能。雖然通過發(fā)動機推力調(diào)節(jié)也可以實現(xiàn)火箭芯級保留更多推進劑，但效果上遠不如使用“交叉輸送”技術(shù)將助推器剩余推進劑輸送給芯級的效果。使用“交叉輸送”技術(shù)近地軌道運載能力能夠提高約20%。此外，在發(fā)射較輕的載荷時，可以關(guān)閉“交叉輸送”技術(shù)，這樣，雖然火箭的輸送能力有所下降，但減少了復(fù)雜性，降低了事故概率。

鑒于交叉輸送仍有大量關(guān)鍵技術(shù)需要解決，“獵鷹重型”火箭在首飛中會暫時放棄交叉輸送，而采用了發(fā)動機推進劑節(jié)流方式，這將有助于降低火箭的復(fù)雜性，減少事故發(fā)生的概率。未來該技術(shù)是否取消尚不確定。

3 未來應(yīng)用前景分析

目標可能瞄準大型軍用載荷，放棄載人方案

目前，“獵鷹重型”火箭面向的市場尚不明朗，由于大型商業(yè)衛(wèi)星需求近年來明顯減少，靜地軌道通信衛(wèi)星發(fā)射需求減少尤為顯著，因此推斷“獵鷹重型”火箭可能會轉(zhuǎn)而瞄準大型國家軍用載荷發(fā)射任務(wù)。馬斯克此前曾透露，在本次“獵鷹重型”火箭驗證飛行任務(wù)中，二子級要經(jīng)過一段長達6h的滑行段，并進行最后一次點火，這就是為了對直接把有效載荷送入靜地軌道的任務(wù)進行模擬。而直接把有效載荷送入靜地軌道正是美國空軍和國家偵察辦公室對某些有效載荷的發(fā)射要求。

另外，確定放棄載人方案，太空探索技術(shù)公司曾在去年宣布將于2018年利用“獵鷹重型”火箭發(fā)射一艘載有2名私人旅客的天龍座載人飛船實現(xiàn)月球旅行。按照規(guī)劃，“月球旅行”時間大約一周，預(yù)計旅程為50～65×104km，飛船將掠過月球軌道，此后返回地球。但馬斯克在此次“獵鷹重型”火箭驗證飛行前夕的一次電話記者會上表示，“由于該公司目前的研制重點在‘大型獵鷹火箭’（BFR）項目上，并且該項目進展順利，因此未來‘獵鷹重型’項目將很有可能不再發(fā)展載人能力，除非在開展‘大型獵鷹火箭’項目中出現(xiàn)嚴重推遲，才有可能考慮‘獵鷹重型’火箭的載人?！?016年太空探索技術(shù)公司提出的“星際運輸系統(tǒng)”，2017年對其進行了修改，將其重新命名為“大型獵鷹火箭”，馬斯克在第68屆國際宇航聯(lián)大會上發(fā)布了其設(shè)計方案：助推級（火箭）部分直徑9.14m，高度106m，采用31臺猛禽發(fā)動機；飛船部分使用6臺“猛禽”發(fā)動機。整個系統(tǒng)LEO運載能力可以達到150t。飛船部分還可以在軌補加燃料，以執(zhí)行近地軌道以遠的任務(wù)。目標是在2022年發(fā)射至少2艘登陸火星的貨運飛船，2024年發(fā)射4艘飛船，其中2艘載人。

為美國政府提供重要機遇，實現(xiàn)經(jīng)濟可負擔和可持續(xù)的空間探索和發(fā)展目標

目前，美國的主流大型運載火箭包括傳統(tǒng)發(fā)射供應(yīng)商聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的宇宙神－5、德爾他－4及太空探索技術(shù)公司的獵鷹－9。宇宙神－5系列火箭近地軌道運載能力覆蓋7.34～19.05t，同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力覆蓋4.95～13t，單發(fā)價格最低為1.09億美元。德爾他－4系列近地軌道運載能力覆蓋9.1～23t，同步轉(zhuǎn)移軌道能力覆蓋4.2～13.1t。運載能力最大的德爾他－4H運載火箭，單發(fā)價格達4.6億美元。獵鷹－9火箭近地軌道運載能力22.8t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力8.3t，最低發(fā)射價格為6200萬美元。“獵鷹重型”火箭近地軌道運載能力達63.8t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力26.7t，執(zhí)行GTO軌道8t任務(wù)的發(fā)射價格僅為9千萬美元。

綜上，一旦“獵鷹重型”火箭驗證了其可靠性，并且最終投入使用，將是目前世界上運載能力最大的火箭，同時也將美國運載能力提升至一個新的高度。將能夠為NASA的深空探索和發(fā)展目標提供能力支撐，并對經(jīng)濟可承受性產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。同時，加劇美國國內(nèi)火箭市場的競爭，進而引發(fā)運載器技術(shù)領(lǐng)域的良性競爭，進一步支撐美國在與其他航天大國的航天運載器技術(shù)競賽中占得先機，進而協(xié)助美國實現(xiàn)領(lǐng)跑全球航天運輸?shù)膽?zhàn)略意圖。即便在美國未來規(guī)劃的70t“航天運輸系統(tǒng)”（SLS）投入使用后，由于其占據(jù)了價格優(yōu)勢，以及面向受眾的多元化，“獵鷹重型”火箭的市場競爭力仍然較為樂觀。

運載能力的大幅提升將有助于空間載荷的發(fā)展

運載能力提升之后，可以將更大的載荷送入軌道，拓展空間技術(shù)應(yīng)用場景。伴隨著質(zhì)量和體積的增大，有效載荷能夠攜帶儀器設(shè)備更多，包括更大的天線、功率更高的轉(zhuǎn)發(fā)器、分辨率更高的成像設(shè)備等等，從而使性能得到大幅提升，擴展相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用場景。最終實現(xiàn)能力牽引需求發(fā)展的效果。例如，比格羅公司正在研制充氣式空間站，小型充氣模塊已經(jīng)在國際空間站上開展驗證，其規(guī)劃的最大模塊可達65～70t，如果沒有合適的進入空間能力提供支持，那么這種方案可能很難實現(xiàn)。所以，“獵鷹重型”火箭所能提供的大型載荷運載能力將是牽引未來航天技術(shù)發(fā)展的重要動力。

太空探索技術(shù)公司已為“獵鷹重型”火箭簽訂了4份發(fā)射合同，其中美國衛(wèi)訊公司的衛(wèi)訊－3（ViaSat－3）和阿拉伯衛(wèi)星通信組織的阿拉伯衛(wèi)星－6A（Arabsat－6A）的質(zhì)量分別為6.4t和6t，遠未接近官方宣稱的26.7t。另外，考慮到太空探索技術(shù)公司宣稱獵鷹－9火箭的GTO運載能力為8.3t，而實際發(fā)射過質(zhì)量最大的GTO載荷為6.7t。所以，“獵鷹重型”火箭的運載能力目前很可能達不到官方宣稱的標準，未來還需要像獵鷹－9火箭一樣進行技術(shù)迭代。

4 小結(jié)

“獵鷹重型”火箭在充分利用已有的獵鷹－9火箭成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過批量生產(chǎn)和一子級回收技術(shù)降低發(fā)射成本。該火箭將瞄準大型載荷、多任務(wù)飛行，放棄載人方案，可能參與競爭美國國家軍用載荷發(fā)射任務(wù)，一旦投入使用，將成為目前全球運載能力最大的運載火箭，且具備低成本優(yōu)勢，將為美國政府提供重要發(fā)展機遇，實現(xiàn)經(jīng)濟可負擔和可持續(xù)的空間探索發(fā)展目標，并對未來發(fā)射市場態(tài)勢產(chǎn)生重大影響，但其系統(tǒng)的可靠性尚待驗證。