“獵鷹9”:一次可回收而未回收的發(fā)射

文/陳亮

▲光桿的獵鷹9-v1.2- Block5

▲完整版的獵鷹9-v1.2- Block5版本

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的各種進(jìn)展都會(huì)引起航天從業(yè)者和愛(ài)好者的關(guān)注，這兩年我們已經(jīng)習(xí)慣了看到帶著柵格舵和著陸腿的獵鷹9火箭，然而2018年12月23日?qǐng)?zhí)行美國(guó)空軍GPS 3-A-1 任務(wù)（載荷為首顆第三代GPS衛(wèi)星GPS 3-A-1）的獵鷹9-v1.2-Block5運(yùn)載火箭竟然沒(méi)有柵格舵和著陸腿，這一簡(jiǎn)陋的構(gòu)型真的已經(jīng)好久未見(jiàn)了，感覺(jué)好像“獵鷹9”出門少穿了幾件衣服……這種配置自然也就意味著這一發(fā)“獵鷹9”不會(huì)進(jìn)行回收。

獵鷹9-v1.2 -Block5火箭自一露面就引起很多討論：這樣一枚設(shè)計(jì)可以重復(fù)使用十次以上的獵鷹火箭，竟然要一次性使用，有沒(méi)有搞錯(cuò)？馬斯克這是受了龍“CRS-16”回收失敗的刺激？還是美國(guó)空軍財(cái)大氣粗，就是這么任性？

不回收是受龍“CRS-16”回收失利的影響嗎？

有些人可能會(huì)懷疑取消回收是因?yàn)槭艿?018年12月5日美國(guó)宇航局“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）項(xiàng)目下國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)的龍貨運(yùn)飛船，任務(wù)代號(hào)龍“CRS-16”陸上回收失敗的影響，火箭一級(jí)落入岸邊不遠(yuǎn)的海中。

龍“CRS-16”本來(lái)是一次平淡無(wú)奇的發(fā)射。唯一特別之處，這是獵鷹9-v1.2- Block5火箭首次執(zhí)行對(duì)國(guó)際空間站的貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)。

成功回收已經(jīng)是近兩年SpaceX公司的常態(tài)。

在龍“CRS-16”發(fā)射之前，“獵鷹9”芯一級(jí)（包含重型獵鷹三枚通用芯級(jí)回收）在37次（不含傘回收）回收嘗試中，成功降落31次，成功率84%。其中17次已經(jīng)執(zhí)行了第二次飛行任務(wù)，其中包括2次使用“獵鷹重型”助推器。海上回收25次，失敗6次；陸地回收12次，全部成功。

▲“CRS-16”任務(wù)中的火箭回收

▲獵鷹9-v1.2-Block5火箭陸地回收失敗后，火箭一級(jí)落入海中

出乎絕大多數(shù)人的意料，執(zhí)行龍“CRS-16”任務(wù)的全新的獵鷹9-v1.2-Block5火箭因?yàn)闁鸥穸嫠欧到y(tǒng)故障回收失敗。此次回收是SpaceX公司陸地回收首次遭遇失敗。

實(shí)際上，美國(guó)空軍的GPS 3-A-1任務(wù)早就確定了，不可能臨時(shí)修改箭體結(jié)構(gòu)。顯然這次任務(wù)從一開(kāi)始就沒(méi)打算回收。

火箭回收與否誰(shuí)來(lái)定？

從火箭性能方面看，一般是看火箭本身是否采用回收設(shè)計(jì)或者是否具有回收價(jià)值，二看運(yùn)載能力是否滿足回收要求。

獵鷹9火箭從1.2版本以后，都可以回收。執(zhí)行這次任務(wù)的獵鷹9-v1.2-Block5運(yùn)載火箭屬于最新的“Block5”，是可以重復(fù)使用十次以上的最新版本，不存在沒(méi)有回收價(jià)值的問(wèn)題。

那就是回收狀態(tài)的運(yùn)載能力不足？那我們先來(lái)看看回收對(duì)“獵鷹9”運(yùn)載能力有什么要求：

問(wèn)題1：這些年獵鷹火箭都把載荷發(fā)射到了什么樣的軌道？

“獵鷹9”的典型任務(wù)包括向國(guó)際空間站運(yùn)送貨物，發(fā)射通信衛(wèi)星和地球觀測(cè)衛(wèi)星到地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）和低地球軌道（LEO），包括部分極軌道（PO），以及少量高軌道載荷。高軌道任務(wù)包括發(fā)射外太空氣候觀測(cè)站（DSCOVR）到太陽(yáng)拉格朗日 L1點(diǎn)，向月球飛行軌道上發(fā)射凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星（TESS），以及重型獵鷹試飛發(fā)射特斯拉跑車到火星軌道以外的日心軌道。

問(wèn)題2： SpaceX公司從哪兒發(fā)射？在哪兒回收？回收方式是怎樣的？

SpaceX公司目前使用東海岸的卡納維拉爾角空軍基地、肯尼迪航天中心和西海岸的范登堡空軍基地三個(gè)發(fā)射場(chǎng)。范登堡空軍基地可以實(shí)現(xiàn)高軌道傾角的發(fā)射（66°-145°），包括極軌道（PO）和太陽(yáng)同步軌道（SSO），而卡納維拉爾角空軍基地可以實(shí)現(xiàn)中等軌道傾角的發(fā)射，最高可達(dá)51.6°，主要有近地軌道（LEO）和地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）?？{維拉爾角空軍基地的的LC-13發(fā)射臺(tái)現(xiàn)已改名為L(zhǎng)Z-1，2017年旁邊增建了LZ-2，用于回收重型獵鷹火箭的第二個(gè)助推器。

▲卡納維拉爾角和肯尼迪中心的發(fā)射場(chǎng)和回收?qǐng)觯ㄑ睾０毒€依次為SLC-40、LC-39A、LZ-2、LZ-1）

▲LZ-1和LZ-2，重型獵鷹兩個(gè)助推器穩(wěn)穩(wěn)落地就是在這兒

▲SLC-4E發(fā)射場(chǎng)和LZ-4回收?qǐng)?/p>

西海岸的范登堡空軍基地的SLC-4E射向向南，用于發(fā)射極軌道和太陽(yáng)同步軌道載荷。發(fā)射后的著陸將在鄰近的SLC-4W進(jìn)行（改建為L(zhǎng)Z-4）。

除了三個(gè)陸地回收?qǐng)?，SpaceX公司還有引以為傲的海上回收平臺(tái)（ASDS），分別為“當(dāng)然，我依然愛(ài)你”、“請(qǐng)看說(shuō)明書(shū)”以及在建的“莊嚴(yán)的短缺”。

問(wèn)題3：回收會(huì)對(duì)運(yùn)載能力造成多大的影響？

先來(lái)看看“獵鷹9”一次性不回收任務(wù)都有哪些。

“獵鷹9”不回收狀態(tài)發(fā)射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛(wèi)星，重量為9600千克（777公里極軌道）。地球同步轉(zhuǎn)移軌道軌道最大載荷為通訊衛(wèi)星Intelsat 35e，重量6761千克。軌道高度最高當(dāng)屬“DSCOVR”的太陽(yáng)拉格朗日L1軌道了。早期1.0版本、1.1版本不能回收，1.2版本只能復(fù)用一次，在第二次發(fā)射后多數(shù)不回收，這是受到火箭可重復(fù)使用性能的限制；部分高軌道發(fā)射任務(wù)也不回收，就是受到運(yùn)載能力的限制了。

▲SpaceX公司海上回收點(diǎn)分布藍(lán)色為“獵鷹9”一子級(jí)回收點(diǎn)（西海岸）

▲SpaceX公司海上回收點(diǎn)分布藍(lán)色為“獵鷹9”一子級(jí)回收點(diǎn)（東海岸）

陸地回收則幾乎都用于近地軌道發(fā)射，其中貨運(yùn)飛船最多（比如這次的龍“CRS-16”貨運(yùn)飛船）。陸地回收狀態(tài)下發(fā)射過(guò)的最大載荷為X-37B OTV-5，重量為4990千克。

海上回收發(fā)射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛(wèi)星（與一次性使用的最大載荷相同），重量為9600千克；地球同步轉(zhuǎn)移軌道最大載荷為通訊衛(wèi)星Telstar 19V，7075千克。

對(duì)比這些數(shù)字，我們不難看出，對(duì)于現(xiàn)有的地球同步轉(zhuǎn)移軌道、極軌道、近地軌道任務(wù)，“獵鷹9”海上回收的運(yùn)載能力和一次性使用已經(jīng)沒(méi)有明顯區(qū)別，其中極軌道的載荷已經(jīng)接近現(xiàn)有過(guò)渡支架承載能力的上限；而陸地回收對(duì)運(yùn)載能力有明顯限制，沒(méi)有超過(guò)5噸，且基本上都是近地軌道。

問(wèn)題4：回收為什么會(huì)對(duì)運(yùn)載能力造成影響？

根據(jù)回收過(guò)程點(diǎn)火次數(shù)不同，“獵鷹9”的一級(jí)回收彈道有兩次點(diǎn)火和三次點(diǎn)火的區(qū)別。兩次點(diǎn)火時(shí)是在再入大氣層前減速點(diǎn)火和著陸段的制動(dòng)點(diǎn)火，著陸點(diǎn)在發(fā)射彈道的航跡線下（其著陸點(diǎn)主要由分離位置速度決定），主要采用海上駁船回收方式回收。海上回收點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)距離約為600～700公里，主要用于發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道載荷。

對(duì)于三次點(diǎn)火回收方式，比兩次點(diǎn)火多一次機(jī)動(dòng)點(diǎn)火（反推點(diǎn)火或叫著陸點(diǎn)修正點(diǎn)火），這次點(diǎn)火的目的是調(diào)整回收著陸點(diǎn)，通過(guò)這次機(jī)動(dòng)，可將著陸點(diǎn)選擇為發(fā)射場(chǎng)，也可以選擇為其他（可達(dá)范圍內(nèi)）指定著陸點(diǎn)。海上回收點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)距離為200～400公里，主要用于發(fā)射極軌道載荷（如銥星NEXT），陸上回收點(diǎn)一般用于回收近地軌道的龍飛船。

陸地回收需要三次點(diǎn)火，消耗推進(jìn)劑量比較大，自然對(duì)運(yùn)載能力的影響最大。而對(duì)于海上回收，不需要一子級(jí)轉(zhuǎn)向往回飛，推進(jìn)劑消耗量自然大減，尤其是遠(yuǎn)陸點(diǎn)海上回收，僅需要兩次點(diǎn)火。從實(shí)際結(jié)果來(lái)看，重復(fù)使用對(duì)地球同步轉(zhuǎn)移軌道、近地軌道載荷的運(yùn)載能力的影響比較小，以至于美國(guó)宇航局在對(duì)比各家火箭運(yùn)載能力時(shí)直接選用了“獵鷹9”重復(fù)使用條件下的運(yùn)載能力。

把“敗家”進(jìn)行到底

那么，對(duì)于這次發(fā)射美國(guó)空軍GPS 3-A-1衛(wèi)星，如果“獵鷹9”進(jìn)行回收，運(yùn)載能力到底夠不夠？

首先需要注意的是，這次任務(wù)的中地球軌道（MEO）載荷SpaceX公司之前并沒(méi)有發(fā)射過(guò)。

GPS 3-A-1衛(wèi)星重量為4400千克，軌道為20181公里×20181公里，軌道傾角55°。按照此次任務(wù)的時(shí)序，火箭二級(jí)經(jīng)過(guò)接近一小時(shí)的滑行二次關(guān)機(jī)，高度為1220公里，之后是近47分鐘的無(wú)動(dòng)力滑行直至星箭分離?；鸺龑⑿l(wèi)星送入一個(gè)近地點(diǎn)不大于1220公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)約為20000公里的橢圓軌道。根據(jù)彈道計(jì)算，雖然這次發(fā)射的近地點(diǎn)高于地球同步轉(zhuǎn)移軌道，但“獵鷹9”海上回收狀態(tài)下運(yùn)載能力其實(shí)能夠滿足發(fā)射入軌的需要。

▲海上回收平臺(tái)

而且從此次任務(wù)的發(fā)射時(shí)序上看，獵鷹9-v1.2-Block5火箭一級(jí)工作164秒，在很大程度上降低了二子級(jí)的壓力，為這次重要的發(fā)射任務(wù)提供了很大余量。

留出這些余量的一個(gè)重要目的是為了滿足此次發(fā)射的用戶——美國(guó)空軍的特殊要求。美國(guó)空軍要求“獵鷹9”的二級(jí)有足夠的推進(jìn)劑用于離軌以再入大氣層銷毀——為了避免產(chǎn)生太空垃圾。此次任務(wù)美國(guó)空軍方面的主管表示，“獵鷹9”沒(méi)有足夠的性能同時(shí)滿足空軍的要求和回收——雖然他們?cè)诨厥者@件事上做得很成功。這也就解釋了此次任務(wù)中二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間更短的現(xiàn)象——為了給二級(jí)保留更多的推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)離軌，這次留給火箭二級(jí)離軌的余量也是非常的充足……

美國(guó)空軍在重要載荷的發(fā)射上一貫慎之又慎，“只要有一絲風(fēng)險(xiǎn)或變化，都要最大限度地避免”。比如，就在這次任務(wù)中，為了增加發(fā)射的“彈性”，作為第三代GPS的首星，GPS 3-A-1導(dǎo)航衛(wèi)星相比當(dāng)初的設(shè)計(jì)增加了半噸多的推進(jìn)劑……火箭二級(jí)非常“足夠”的推進(jìn)劑余量更是給發(fā)射上了雙保險(xiǎn)。所以，也很難說(shuō)SpaceX公司這次選擇不回收是因?yàn)檫\(yùn)力不足還是為了“保成功”，真相大概只有美國(guó)空軍和SpaceX公司知道了。

唯一可以肯定的是，美國(guó)空軍肯定給了足夠的錢讓SpaceX公司把號(hào)稱可以重復(fù)使用十次乃至百次的獵鷹9 Block5火箭送入大西洋海底。