鷹擊長空：探秘“獵鷹重型”運(yùn)載火箭

楊俊峰

2018年2月6日下午3點(diǎn)45分（美國東部時(shí)間），美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）研制的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運(yùn)載火箭成功進(jìn)行了首次發(fā)射試驗(yàn)，將一輛同為該公司研制的特斯拉電動(dòng)汽車送入火星轉(zhuǎn)移軌道。這次發(fā)射成功的消息一夜之間刷爆“朋友圈”，世界各國媒體都毫不吝嗇贊美之辭。這究竟是為什么呢？

“拼湊”出的現(xiàn)役 載荷能力最強(qiáng)

“獵鷹重型”運(yùn)載火箭，近地軌道有效載荷（LEO）為63.8噸，這項(xiàng)數(shù)據(jù)僅次于美蘇太空爭霸時(shí)代研制的“土星五號”和“能源號”運(yùn)載火箭。在全球現(xiàn)役火箭中，“獵鷹重型”的載荷能力是當(dāng)之無愧的NO.1。

“獵鷹重型”運(yùn)載火箭是如何實(shí)現(xiàn)如此強(qiáng)大的載荷指標(biāo)的呢？這與其非常獨(dú)特的總體設(shè)計(jì)有關(guān)?！矮C鷹重型”的第一級（又稱“起飛級”），是一種由3枚“獵鷹9號”運(yùn)載火箭的第一級橫向并聯(lián)而組成的“側(cè)芯級-中間芯級-側(cè)芯級”布局。通俗地講，就是把3枚“獵鷹9號”捆綁在一起，這使“獵鷹重型”的起飛推力和有效載荷重量是“獵鷹9號”的幾乎三倍。

1+1+1=3，看起來很簡單，但在工程實(shí)踐中卻困難重重。首先，將3枚“獵鷹9號”的第一級捆綁并聯(lián)，除了要安裝結(jié)實(shí)的連接機(jī)構(gòu)，還得設(shè)計(jì)全新的側(cè)向冷分離系統(tǒng)。其次，3個(gè)芯級并聯(lián)飛行時(shí)，必須充分考慮推力分配控制、共振特性等難題。最重要的是，1枚“獵鷹9號”的第一級安裝了9臺(tái)“梅林-1D”液氧-煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，3個(gè)芯級并聯(lián)就是27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，如何保證這么多發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)正常工作，是一項(xiàng)前所未有的巨大挑戰(zhàn)。

在“獵鷹重型”之前，只有蘇聯(lián)為登月計(jì)劃準(zhǔn)備的N-1超重型運(yùn)載火箭的第一級采用了30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)布局，結(jié)果5次試射全部失敗。這其實(shí)是一個(gè)很簡單的概率問題：假如單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障概率是1%，那么10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作時(shí)出現(xiàn)故障的概率就是9.56%，整體可靠性明顯降低。再加上多發(fā)并聯(lián)會(huì)帶來更加復(fù)雜的耦合振動(dòng)等一系列問題，航天界一直都將運(yùn)載火箭第一級并聯(lián)多于10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的思路視為忌諱。

如果說當(dāng)年蘇聯(lián)因?yàn)闊o力研制新型大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，不得不劍走偏鋒嘗試“推力不夠數(shù)量湊”，那么“獵鷹重型”為何要冒同樣風(fēng)險(xiǎn)選擇27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)布局？原因有兩個(gè)：一是SpaceX手上同樣缺乏更大推力的發(fā)動(dòng)機(jī)型號;二是如此設(shè)計(jì)可以充分利用“獵鷹9號”的現(xiàn)成技術(shù)，大幅降低成本和難度。“梅林-1D”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雖然推力不大，但得益于結(jié)構(gòu)簡單可靠，單發(fā)故障率很低，因而有效保證了多發(fā)并聯(lián)的可靠性。另外，“梅林-1D”的推力可大范圍調(diào)節(jié)，加上如今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)突飛猛進(jìn)，即使“獵鷹重型”點(diǎn)火后有1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完全罷工，也能依靠其他發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)增補(bǔ)推力保持總推力平衡（即“多冗余度技術(shù)”）。諸多先進(jìn)技術(shù)，使得27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的“獵鷹重型”的可靠性風(fēng)險(xiǎn)被控制在可接受的水平。

前所未有：多枚火箭同時(shí)回收

通過這些艱難的努力，“獵鷹重型”最終成功實(shí)現(xiàn)了首發(fā)。但是，“獵鷹重型”最值得稱道之處，并非“現(xiàn)役火箭中載荷能力最強(qiáng)”這個(gè)頭銜，而是它在航天領(lǐng)域率先成功應(yīng)用的火箭垂直降落回收技術(shù)。這次“獵鷹重型”發(fā)射成功，進(jìn)一步證明了該技術(shù)完全可行，未來將能夠應(yīng)用到各種重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)和使用中，以顯著降低發(fā)射成本。

眾所周知，SpaceX研制的 “獵鷹9號”是目前世界上唯一實(shí)現(xiàn)第一級整體回收并重復(fù)使用的運(yùn)載火箭。整個(gè)回收程序較為復(fù)雜，共有3次點(diǎn)火：①在一、二級冷分離后（高度超過100千米，速度超過1500米/秒），點(diǎn)燃9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的1臺(tái)進(jìn)行“減速回推”，打開頂部的4個(gè)格柵翼;②進(jìn)入大氣層后（高度低于60千米，速度低于800米/秒），點(diǎn)燃3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“再入推進(jìn)”，開始利用4個(gè)格柵翼調(diào)整姿態(tài);③接近地面時(shí)（高度低于10千米，速度低于200米/秒），打開4條著陸支撐腿，點(diǎn)燃1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“著陸推進(jìn)”，利用略低于火箭重量的反向推力，最終讓火箭在接地瞬間速度降為零，實(shí)現(xiàn)垂直軟著陸。

“獵鷹9號”可回收的第一級高度超過14層樓，重達(dá)數(shù)十噸，最大速度超過1500米/秒，預(yù)定的降落回收區(qū)域僅幾十米寬。這好比“在狂風(fēng)中讓橡膠掃帚直立于手掌上”，對飛行姿態(tài)的控制精度要求極高。目前，“獵鷹9號”已經(jīng)成功進(jìn)行了超過10次的回收作業(yè)?？紤]到“獵鷹重型”的并聯(lián)構(gòu)型，其回收過程可以看作是3枚“獵鷹9號”同時(shí)進(jìn)行回收作業(yè)，總體技術(shù)難度沒有本質(zhì)區(qū)別，只是對組織協(xié)調(diào)能力的要求更高。

無論如何，“獵鷹重型”首次嘗試的3枚芯級火箭同時(shí)回收降落，還是有史以來的第一次。在火箭一、二級分離后，兩個(gè)側(cè)芯級成功地同時(shí)垂直降落到陸地著陸場。而中間芯級因燃料不足，用于減速的3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中僅剩1臺(tái)正常工作，以約480千米/時(shí)的速度墜落到距離海上著陸場約100米的大海中。即便如此，兩個(gè)側(cè)芯級火箭同時(shí)成功降落到同一地點(diǎn)的畫面，依然是科幻般的壯觀場景，令世界各地的航天愛好者心潮澎湃。

盛譽(yù)之下仍需努力

追求運(yùn)載火箭等航天器的可重復(fù)使用能力，是為了盡可能降低航天發(fā)射任務(wù)的資源成本，提高任務(wù)效率。目前主流的運(yùn)載火箭和載人飛船，例如美國“土星五號”運(yùn)載火箭與“阿波羅”飛船、俄羅斯“聯(lián)盟”系列運(yùn)載火箭與飛船、中國“長征-2F”運(yùn)載火箭與“神舟”飛船等，都是一次性使用的，火箭燃料耗盡后直接墜落燒毀，飛船返航后也隨即報(bào)廢，這就導(dǎo)致任務(wù)成本很難降下來。近地載人飛行任務(wù)還好說，諸如重返月球、登陸火星等耗資巨大的深空探測任務(wù)，幾乎無法采用這種模式，因?yàn)槌杀緦?shí)在太高昂了，即便是財(cái)力雄厚的美國也無力再來一次“阿波羅”計(jì)劃。

而“獵鷹重型”全箭共28臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，除了第二級（又稱“上面級”）的那一臺(tái)“梅林-1D”發(fā)動(dòng)機(jī)不回收，第一級的27臺(tái)全部設(shè)計(jì)為可回收重復(fù)使用，設(shè)計(jì)復(fù)用率高達(dá)27/28，很接近完全重復(fù)使用了。這次發(fā)射的“獵鷹重型”的3個(gè)芯級中，除了中間芯級是全新制造的，兩個(gè)側(cè)芯級都是由先前發(fā)射任務(wù)完成后回收的“獵鷹9號”一級改裝而來。換言之，“獵鷹重型”這個(gè)全新型號的首飛火箭，其實(shí)是個(gè)充分利用“回收品”改造出來的“半二手”火箭，聽起來是不是很不可思議？

除了超高的組件重復(fù)使用率，“獵鷹重型”從頭到尾只使用單一型號發(fā)動(dòng)機(jī)，資源得以高度集中，便于大規(guī)模、高效率批量生產(chǎn)，零部件通用率很高，進(jìn)一步降低了制造和維護(hù)成本。種種措施，使未來“獵鷹重型”將2噸載荷送入地球同步軌道的成本只需要不到1億美元，是其他重型運(yùn)載火箭的五分之一。

然而“成也蕭何敗也蕭何”，正如SpaceX公司負(fù)責(zé)人馬斯克自己所言，“獵鷹重型”最大的問題同樣來自動(dòng)力系統(tǒng)。現(xiàn)在采用的3枚“獵鷹9號”多發(fā)并聯(lián)布局雖然實(shí)現(xiàn)了低成本和高載荷，但芯級直徑只有3.66米，嚴(yán)重限制了所搭載的載荷尺寸，導(dǎo)致實(shí)用價(jià)值大打折扣。對比之下，盡管中國“長征五號”運(yùn)載火箭的有效載荷為25噸，但是“長征五號”的芯級直徑為5米，更適合發(fā)射空間站核心艙、資源衛(wèi)星等體積較大的載荷?！矮C鷹重型”如果要增大芯級直徑，則必須采用全新的大推力發(fā)動(dòng)機(jī);但這勢必又會(huì)大幅抬高造價(jià)，喪失低成本這個(gè)核心優(yōu)勢。要徹底解決這個(gè)矛盾，還有很長的路要走。

運(yùn)載火箭本質(zhì)上是一種高成本、低效率的交通運(yùn)輸工具。盡管商業(yè)化背景的“獵鷹重型”還存在不少先天缺點(diǎn)，可靠性和實(shí)用性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，但SpaceX讓人們第一次如此清晰地看到了降低航天發(fā)射資源門檻的希望，這無疑將大大加快人類探索和利用太空的腳步。這就是它令全世界矚目的根本原因。