獵鷹重型火箭通過生死大考

文/ 田豐

北京時(shí)間2019年4月12日6點(diǎn)35分，美國太空探索技術(shù)公司（以下簡稱SpaceX公司）的獵鷹重型（Falcon Heavy）火箭時(shí)隔一年再次從肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射臺發(fā)射升空，這款現(xiàn)役最強(qiáng)運(yùn)力火箭終于迎來了首個(gè)正式商業(yè)載荷——一顆重6.46噸的同步軌道通訊衛(wèi)星。發(fā)射后8分半鐘，兩枚助推器率先著陸于陸地著陸場LZ-1、2，隨后芯級也穩(wěn)穩(wěn)落在距發(fā)射場1000公里的無人回收駁船上，彌補(bǔ)了首飛芯級墜海的遺憾，34分鐘后星箭順利分離。至此，三枚火箭同時(shí)回收的壯觀景象成為現(xiàn)實(shí)，27臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì)的可靠性得到進(jìn)一步驗(yàn)證。而這次看似平淡的發(fā)射之后，一些潛藏的變化正在航天界涌動，或?qū)γ绹詈骄?NASA)的重返月球進(jìn)程產(chǎn)生影響。

半新半舊，首飛成功，仍具爭議

作為“獵鷹重型”的第二次發(fā)射，本次發(fā)射所用的芯一級和兩枚側(cè)助推器均為全新生產(chǎn)的Block5最新改進(jìn)型，但按照SpaceX公司一貫的“摳門”作風(fēng)，雖然箭體是新的，但部分梅林發(fā)動機(jī)以及助推器頭錐卻是重復(fù)使用的。

▲助推器頭錐有明顯的使用痕跡

其中復(fù)用的助推器頭錐來自2018年2月7日獵鷹重型火箭首次發(fā)射，當(dāng)時(shí)兩枚助推器在完成發(fā)射任務(wù)后與芯級分離，掉頭飛回發(fā)射場并緩緩降落在著陸場上。這個(gè)過程被空中的無人機(jī)拍攝下來，震撼了世界。隨后，火箭整流罩打開，蔚藍(lán)地球背景下紅色特斯拉跑車畫面刷爆了當(dāng)時(shí)各大媒體。

但喧囂過后，這款火箭依然頗具爭議，尤其是這款具有現(xiàn)役火箭中最強(qiáng)運(yùn)力的火箭首次發(fā)射卻只搭載了一輛不足2噸重的跑車，遭到眾多網(wǎng)友的質(zhì)疑，稱其用了“吃奶的勁兒”卻只打了一堆太空垃圾。但事實(shí)上，去年首飛搭載跑車實(shí)屬無奈之舉，恰恰證明了當(dāng)時(shí)“獵鷹重型”的最大問題——設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)大，可靠性不足，訂單少，客戶不敢以身試險(xiǎn)。

▲綠光來自三乙基鋁-三乙基硼(TEA- TEB)引火系統(tǒng)的反應(yīng)，還可以看到火焰底端的激波

▲水平組裝廠房內(nèi)的“獵鷹重型”

▲Starman和特斯拉跑車在太空

可靠存疑，訂單寥寥，急需自證

去年首飛過后的“獵鷹重型”不得不面對一個(gè)“空有屠龍刀，卻無龍可屠”的尷尬境地，人們常說“火箭的運(yùn)力有多大，航天的舞臺就有多大”，SpaceX公司標(biāo)稱獵鷹重型火箭近地軌道運(yùn)力高達(dá)63.8噸，同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)力26.7噸，看似大有可為，其實(shí)是高不成低不就。

首先，商業(yè)客戶并不需要這么龐大的運(yùn)力，目前最重的商業(yè)通訊衛(wèi)星也不過7.1噸（Telstar 19V），尚不及其運(yùn)力上限的三分之一；類似阿里安5火箭的雙星拼車也限于整流罩等原因難以成行，況且高通量同步軌道通訊衛(wèi)星造價(jià)高昂，加之多數(shù)客戶對“獵鷹重型”可靠性存疑，發(fā)射報(bào)價(jià)優(yōu)勢也不明顯，訂單數(shù)量較“獵鷹9”遜色不少。其次，NASA短期也并不需要這款火箭執(zhí)行深空任務(wù)，一是因?yàn)樘綔y器對發(fā)射窗口及可靠性要求甚高，而火箭可靠性尚未得到充分驗(yàn)證。“獵鷹9”執(zhí)行了近70次發(fā)射，直到去年末才拿到NASA的LSP-3認(rèn)證，具備最高價(jià)值載荷的發(fā)射資格。美國空軍（USAF）和美國國家偵察局（NRO）雖有所需求，但兩家的載荷歷來以貴出名，經(jīng)常貴過等重黃金，且不容有失，僅成功發(fā)射一次的火箭難言可靠。因此SpaceX公司急需一次正式任務(wù)證明自己的設(shè)計(jì)，最終Arabsat-6A衛(wèi)星順利成為了“小白鼠”。

▲載荷衛(wèi)星效果圖，該星一式兩份，其姐妹星已經(jīng)由阿里安5火箭于今年2月送入軌道

▲星箭分離

▲“Arabsat-6A”衛(wèi)星在廠房

“Arabsat-6A”是一顆采用洛·馬公司LM-2100平臺的高通量通信衛(wèi)星，但問題是這顆衛(wèi)星僅重6噸有余，SpaceX公司自家“獵鷹9”完全可以勝任，緣何大動干戈動用“獵鷹重型”呢？難道只是為了證明可靠性？

你到底能不能打——“獵鷹重型”的運(yùn)力之謎

“Arabsat-6A”合同簽訂于2015年，那時(shí)的1.1版獵鷹9火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力僅有4.85噸，因此6.46噸衛(wèi)星在當(dāng)時(shí)選用“獵鷹重型”可謂合情合理。然而世殊時(shí)異，“獵鷹9”在4年間不斷迭代升級，運(yùn)力一路飆升至8.3噸，已經(jīng)輕松涵蓋6噸衛(wèi)星。不過若嚴(yán)格按照合同履行，堅(jiān)持采用“獵鷹重型”也是合理的，但以往也有過“獵鷹重型”訂單下放到“獵鷹9”發(fā)射的情況，這次為什么不這樣做呢？這就要從“獵鷹9”的可回收設(shè)計(jì)說起了。

自2015年12月首次回收獵鷹9火箭起，經(jīng)過4年瘋狂改進(jìn)和迭代，SpaceX公司的回收復(fù)用技術(shù)日漸成熟，但不可避免地?fù)p失30%～50%的運(yùn)力。雖然如此，SpaceX公司依然堅(jiān)定地將復(fù)用道路走了下去，于去年4月推出了“獵鷹9”的Block5型。該型號融合了4年來SpaceX公司所有對垂直回收和重復(fù)使用的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，是“獵鷹9”的最新改型，單箭體至今最多復(fù)用3次，且即將在自家星鏈（StarLink）的首次組網(wǎng)任務(wù)中復(fù)用第4次，但是Block5型的全面服役也基本終結(jié)了SpaceX公司的一次性火箭發(fā)射業(yè)務(wù)。公司于去年Block5構(gòu)型服役起宣布，對商業(yè)客戶除特殊原因外，不再安排一次性發(fā)射，并將對復(fù)用火箭發(fā)射逐步打出各種折扣，以吸引客戶。

▲“獵鷹9”的Block5型

▲各種回收狀態(tài)下的運(yùn)力水平表

▲2011年，獵鷹重型火箭首次公開亮相

迄今為止，SpaceX公司取得了20多次復(fù)用火箭發(fā)射成功率100%的成績。因此目前SpaceX公司除特殊政府載荷(如GPS-3首星)外，獵鷹9火箭的運(yùn)力上限就是5.5噸，當(dāng)然也有衛(wèi)星超重但自行升軌的情況，篇幅所限不展開。所以目前超過5.5噸的GTO載荷，也就順理成章地成為了“獵鷹重型”的訂單。不僅如此，此次“獵鷹重型”將衛(wèi)星送入了遠(yuǎn)地點(diǎn)近9萬公里的超同步軌道，僅此一項(xiàng)就將節(jié)省大量衛(wèi)星推進(jìn)劑，有望將衛(wèi)星在軌壽命從15年延長至18～20年，這也是客戶冒險(xiǎn)選擇“獵鷹重型”的原因所在。

發(fā)射成功后，兩枚助推器將被重新翻修，用于暫定今年6月的STP-2（又稱福衛(wèi)7）發(fā)射，這次發(fā)射中火箭二級將4次點(diǎn)火，進(jìn)行長達(dá)6小時(shí)的在軌滑行，最終將23顆衛(wèi)星部署到三個(gè)不同的軌道面。此次任務(wù)中“獵鷹重型”要向美國空軍和NASA證明，這款火箭完全具備替代聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“宇宙神5”和“重型德爾塔4”的實(shí)力，可以以更低價(jià)格執(zhí)行各種國家安全發(fā)射（National Security Launch）。但是無論如何，這次成功發(fā)射，進(jìn)一步驗(yàn)證了27臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì)的可靠性，這勢必對未來運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)思路會產(chǎn)生一定影響。

同門改進(jìn)不斷，“重獵”也有變化

SpaceX公司一直奉行互聯(lián)網(wǎng)式的快速迭代策略，基本就沒有“定型”和“批產(chǎn)”的概念，在過去的數(shù)年間，公司幾乎就沒生產(chǎn)過兩枚完全一樣的獵鷹9火箭。其實(shí)此次發(fā)射的“獵鷹重型”也是如此，此次發(fā)射的“獵鷹重型”全面基于2018年5月首飛的Block5型獵鷹9火箭改進(jìn)而來，推力提升10%，換用鈦合金格柵舵，改進(jìn)發(fā)動機(jī)艙防熱結(jié)構(gòu)，換用新型箭體涂料等等，由于同宗同源，“獵鷹9”的任何改進(jìn)都將拓展至“獵鷹重型”上，形成協(xié)同效應(yīng)。

其實(shí)從對比圖來看，Block5版本為了更好地復(fù)用，首先改進(jìn)了發(fā)動機(jī)艙的密封結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)推力冗余設(shè)計(jì)，所有梅林發(fā)動機(jī)都具有擺動能力，因此需要可動密封結(jié)構(gòu)保護(hù)發(fā)動機(jī)，但原有的密封套在最高6～8馬赫的惡劣回收再入環(huán)境下受損嚴(yán)重，甚至有些任務(wù)中直接被吹爛。因此在Block5版中改成了活動防熱板，此外發(fā)動機(jī)艙還增設(shè)了銅綠色防熱涂層。

隨著這批改進(jìn)的實(shí)施，“獵鷹重型”的設(shè)計(jì)將逐步成熟固化，加上兩次成功的演示任務(wù)，“獵鷹重型”的銷路已經(jīng)逐漸打開。在去年首次發(fā)射時(shí)，該火箭僅有兩個(gè)發(fā)射訂單（Arabsat-6A和STP-2）。而隨著去年首飛成功，火箭又相繼斬獲了軍方AFSPC-52、AFSPC-44兩次軍星發(fā)射訂單，以及Ovzon-3和ViaSat-3兩顆高通量商業(yè)通訊衛(wèi)星訂單。隨著此次發(fā)射的成功，“獵鷹重型”的未來之路或?qū)⒏娱_闊，但是縱觀訂單量列表，我們會發(fā)現(xiàn)缺少一個(gè)熟悉的身影——NASA。

▲ 水平組裝廠房內(nèi)的火箭

▲發(fā)動機(jī)密封套嚴(yán)重受損

指不上的SLS，前途看好的“獵鷹重型”

獵鷹重型火箭自誕生之日起到現(xiàn)在，既沒有NASA的現(xiàn)金資助，也沒有其訂單支持。那么這款火箭為何一直不受NASA的“待見”呢？因?yàn)樵?0噸以上運(yùn)力級別，NASA有著自己“嫡子”——由“波音”負(fù)責(zé)研制的太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，簡稱SLS）。

但是，轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2019年初，“波音”在SLS項(xiàng)目上肆無忌憚地拖延、超支和運(yùn)力縮水，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了特朗普政府?dāng)M定的重返月球計(jì)劃表。因此以副總統(tǒng)邁克·彭斯為主的航天委員會要求NASA考慮換用可行的商業(yè)火箭，替代SLS執(zhí)行獵戶座飛船代號EM-1的首次繞月任務(wù)，一時(shí)間業(yè)界嘩然。NASA局長吉姆·布里登斯廷臨危受命，組織論證滿足條件的替代火箭。初步論證后，發(fā)現(xiàn)能趕得上時(shí)間，運(yùn)力又足夠的，竟然只有SpaceX公司的獵鷹重型火箭，其中包括兩次發(fā)射在軌對接和換用高性能低溫氫氧二級發(fā)射兩種方案。

▲ “波音”太空發(fā)射系統(tǒng)SLS

▲右側(cè)是重新涂裝的LC-39A發(fā)射塔，該發(fā)射臺曾用于阿波羅登月

▲ 圖中標(biāo)注用商業(yè)火箭發(fā)射的，“獵鷹重型”都有機(jī)會

雖然最終NASA詳細(xì)論證的結(jié)果是這兩種方案同樣趕不及在2020年6月發(fā)射“獵戶座”，最終只能繼續(xù)催促“波音”加快進(jìn)度。但這是“獵鷹重型”第一次正式進(jìn)入美國重返月球架構(gòu)的“菜單”之中，而且險(xiǎn)些將SLS“踢落馬下”。

在未來以美國為首的環(huán)月空間站建設(shè)中，以“電力和推進(jìn)模塊”為首的部分艙段，和后續(xù)大量貨運(yùn)任務(wù)，都需要大運(yùn)力、低報(bào)價(jià)且排期靈活的商業(yè)火箭來擔(dān)綱發(fā)射。而縱觀美國現(xiàn)有的運(yùn)載火箭序列，老一代如重型德爾塔4火箭因報(bào)價(jià)高昂等原因已經(jīng)進(jìn)入退役序列，而新一代如“火神”、“新格倫”等火箭因研發(fā)受挫，首飛乃至成熟仍無定期。在此青黃不接的時(shí)期，正是“獵鷹重型”大顯身手的好機(jī)會。不僅如此，部分深空探測器也已向“獵鷹重型”拋出橄欖枝，例如NASA的歐羅巴快帆任務(wù)(Europa Clipper)。可以想見此次成功發(fā)射過后，“獵鷹重型”或?qū)⒗^續(xù)斬獲各種訂單，本來“無龍可屠”的這位勇士搞不好要忙到“分身乏術(shù)”了。如果暫定六月的STP-2任務(wù)再獲成功的話，憑借三次成功發(fā)射，兩次部分復(fù)用成功的可靠性數(shù)據(jù)，“獵鷹重型”的地位或許又會有微妙的變化。在未來的重返月球任務(wù)和世界火箭舞臺上，“獵鷹重型”和SpaceX公司又將扮演怎樣的角色，讓我們拭目以待。