解讀 | 重型獵鷹火箭的第三次發(fā)射

+ 張雪松

6月26日，北京時(shí)間下午2:30分，美國(guó)SpaceX公司的重型獵鷹火箭成功進(jìn)行了第三次發(fā)射。盡管重型獵鷹的發(fā)射已經(jīng)是第三次，但本次發(fā)射依然熱度不減，因?yàn)槿蝿?wù)具有空前的技術(shù)挑戰(zhàn)性，仍吸引了全世界航天相關(guān)人士的熱切關(guān)注?；鸺l(fā)射升空后雖然芯一級(jí)回收失敗，不過其他任務(wù)圓滿完成，尤其是整流罩首次回收成功，算是一個(gè)意外的驚喜了。

超難任務(wù) · 挑戰(zhàn)多

重型獵鷹STP-2任務(wù)是SpaceX公司歷史上難度最大的發(fā)射任務(wù)，它使用的本來就是還不算成熟的火箭型號(hào)，而且還要面對(duì)多個(gè)高難度挑戰(zhàn)：

1、火箭二級(jí)4次點(diǎn)火，將24顆衛(wèi)星送入3個(gè)軌道面。

2、史上最遠(yuǎn)距離也是再入速度最快的芯級(jí)回收。

3、再次嘗試回收整流罩。

首先看第一項(xiàng)：火箭二級(jí)4次點(diǎn)火，這也是STP-2任務(wù)最硬核的部分了。

先來了解一下目前世界主力火箭這方面的情況。我國(guó)長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭第三級(jí)只有二次點(diǎn)火能力，為了直接發(fā)射MEO軌道的北斗衛(wèi)星，還專門研制了遠(yuǎn)征系列上面級(jí)，而遠(yuǎn)征一號(hào)和二號(hào)只有兩次點(diǎn)火能力。美國(guó)航天技術(shù)水平領(lǐng)先世界，其宇宙神5和德爾塔4火箭使用氫氧上面級(jí)，具備直接將衛(wèi)星送入靜止軌道的能力，但也只用到3次點(diǎn)火。俄羅斯倒是有點(diǎn)火次數(shù)更多的上面級(jí)，但無論是微風(fēng)上面級(jí)還是弗雷蓋上面級(jí)，都使用常溫自燃推進(jìn)劑。和它們相比，重型獵鷹火箭使用半低溫的液氧煤油推進(jìn)劑，第二級(jí)還要進(jìn)行4次點(diǎn)火，而且首尾點(diǎn)火時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá)3個(gè)半小時(shí)，其難度是空前的。

也許有人問，獵鷹九號(hào)火箭第一級(jí)回收的過程中，有時(shí)也需要發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行三次點(diǎn)火，這看起來沒那么難吧？其實(shí)不然，火箭二級(jí)在地球軌道上長(zhǎng)時(shí)間巡航，除了要求二級(jí)設(shè)備和發(fā)動(dòng)機(jī)具備更長(zhǎng)的工作時(shí)間，還要克服失重帶來的推進(jìn)劑沉底難題，以及軌道上高低溫環(huán)境帶來的推進(jìn)劑溫控等難題，這都是火箭一級(jí)回收時(shí)不曾面對(duì)的考驗(yàn)。更關(guān)鍵的是，這次任務(wù)不僅是重型獵鷹首次一箭多星發(fā)射，還要把24顆衛(wèi)星分別送入3個(gè)軌道面，分別是：

·傾角28.5度、近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)分別為300公里和860公里的軌道。

通常整流罩屬于非飛行部件，更不屬于部署的航天器，但這次任務(wù)卻不同往常：應(yīng)軍方要求，發(fā)射一個(gè)特制版的整流罩，為美國(guó)空軍收集聲學(xué)數(shù)據(jù)。

·傾角24度、軌道高度720公里的圓軌道。

·傾角42度、近地點(diǎn)6000公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)12000公里的軌道。

一箭多星、還要送入多個(gè)軌道高度和傾角都截然不同的軌道面，難度可見一斑！這不僅要求火箭具備多次點(diǎn)火能力，也對(duì)導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)提出了很高要求，還要求有足夠的運(yùn)力轉(zhuǎn)換軌道面。

再看第二項(xiàng)，史上最遠(yuǎn)距離也是再入速度最快的芯級(jí)回收。重型獵鷹火箭的運(yùn)載能力很強(qiáng)，STP-2任務(wù)的載荷雖然有3.7噸左右，而且需要射入3個(gè)軌道面，但重型獵鷹火箭運(yùn)力并沒有因此捉襟見肘，依據(jù)就是——芯一級(jí)原定在距離岸邊39公里的回收船上降落，這是受限于卡納維拉爾角只有兩個(gè)降落點(diǎn)，否則完全可以讓芯一級(jí)飛回發(fā)射場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)三枚火箭同時(shí)降落的壯觀畫面。有趣的是，STP-2任務(wù)發(fā)射前，SpaceX臨時(shí)決定將回收船部署到距離發(fā)射場(chǎng)1245公里外，創(chuàng)下有史以來最遠(yuǎn)的芯一級(jí)船降紀(jì)錄，此前火箭芯一級(jí)海上回收距離陸地最遠(yuǎn)的是上一發(fā)重型獵鷹火箭，為970公里。

箭體上的灼燒痕跡是兩枚助推器的復(fù)用勛章；嶄新的芯一級(jí)最終遺憾墜入大海。

原定回收地點(diǎn)離岸僅39公里，可見此次發(fā)射芯一級(jí)的超遠(yuǎn)距離降落回收和火箭運(yùn)力并無關(guān)系。有消息稱，本次發(fā)射美國(guó)空軍要求收集整流罩聲學(xué)數(shù)據(jù)，這就要求火箭加速到芯一級(jí)速度極限，模擬發(fā)射大質(zhì)量衛(wèi)星的場(chǎng)景，這可能是臨時(shí)更改為測(cè)試極限距離回收的主要原因，不過這也意味著火箭芯一級(jí)將以前所未有的速度，再入大氣層并回收。根據(jù)發(fā)射直播視頻上顯示的數(shù)據(jù)，STP-2任務(wù)中芯一級(jí)關(guān)機(jī)速度高達(dá)11080公里/小時(shí)，要比重型獵鷹第二次發(fā)射時(shí)10700公里/小時(shí)的關(guān)機(jī)速度還要高一些，更不要說重型獵鷹首飛時(shí)9540公里/小時(shí)的關(guān)機(jī)速度了。

高速度意味著再入時(shí)的超高溫考驗(yàn)。遺憾的是，本次重型獵鷹沒能拿到滿分——火箭芯一級(jí)雖然順利再入，但最后沒能降落到海上回收船上，而是直接墜落到海里。從直播視頻看，芯一級(jí)火箭的減速和控制都不太對(duì)勁，事后確認(rèn)是火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)艙燒穿，導(dǎo)致中央那臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量控制失效。獵鷹火箭芯一級(jí)垂直降落全靠這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的擺動(dòng)來控制姿態(tài)和彈道，發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量失效，芯一級(jí)自然無法準(zhǔn)確降落了。

換句話說，如果將來不加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙防熱措施的話，這就是獵鷹火箭芯一級(jí)再入速度的極限了。從重型獵鷹芯一級(jí)11080公里/小時(shí)的極限速度推斷，只要試圖回收芯一級(jí)，火箭運(yùn)力就要受到極大的限制，無法接近一次性使用時(shí)那令人震驚的強(qiáng)大運(yùn)力?？紤]到SpaceX公司一直要回收復(fù)用重型獵鷹的芯一級(jí)，看來未來芯一級(jí)技術(shù)迭代還有得折騰。

第三項(xiàng)也就是整流罩回收，這次捕獲回收成功真是意外之喜！事后有外國(guó)網(wǎng)友精辟總結(jié)：1.5年，3套手臂，4次換網(wǎng)，無數(shù)次測(cè)試，2個(gè)大洋，5次失敗，更名后終于成功回收整流罩。

此前距離成功最近的一次，整流罩在回收船幾十米外落入大海。本次，CEO馬斯克已經(jīng)一顆紅心兩手準(zhǔn)備，一方面繼續(xù)改進(jìn)捕獲船，另一方面直接使用海里撈上來的整流罩。其實(shí)今年星鏈衛(wèi)星首次發(fā)射時(shí)，就成功復(fù)用了被海水浸泡過的整流罩，但馬斯克顯然還不死心，一定要實(shí)現(xiàn)完美復(fù)用！捕獲船進(jìn)行了最新升級(jí)：四個(gè)網(wǎng)臂的張角放大，擴(kuò)大了捕獲網(wǎng)的面積；還把黃色網(wǎng)改頭換面變?yōu)樗{(lán)色網(wǎng)；并將名字從“斯蒂文先生”（Mr.Steven）改名為“GO樹女士”（GO Mrs. Tree）。也許是更新升級(jí)帶來捕獲能力升級(jí)，也許是改名帶來了好運(yùn)氣，STP-2發(fā)射任務(wù)中，樹女士完美地接到了一片整流罩，火箭整流罩回收終于首獲成功！

2015年底，獵鷹火箭一級(jí)才首次垂直著陸成功，但馬斯克和SpaceX用很短的時(shí)間就讓獵鷹火箭回收這件事變得毫無懸念；如此說來，未來整流罩的成功回收也可能很快就成為世人習(xí)以為常的事。不要小看整流罩，為了保護(hù)衛(wèi)星等載荷，看似只有一層殼的整流罩也是高成本的子系統(tǒng)，據(jù)稱它就占了火箭成本的10%左右，或者說一個(gè)整流罩就價(jià)值幾百萬(wàn)美元。如果整流罩回收常態(tài)化，獵鷹系列火箭的成本將得以繼續(xù)降低，其在世界商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力就更是一騎絕塵了。

發(fā)射成功 · 價(jià)值大

重型獵鷹火箭的STP-2任務(wù)已經(jīng)成功，除此之外還有一些其他的花絮：

·這是SpaceX公司接到的價(jià)值最高的發(fā)射合同，美國(guó)空軍為此支付了1.6億美元，比馬斯克報(bào)出的一次性重型獵鷹1.5億美元的發(fā)射報(bào)價(jià)還要高；

·這次任務(wù)還是重型獵鷹首次夜間發(fā)射，不過對(duì)于輕車熟路的SpaceX公司來說，夜間發(fā)射早已沒有什么難度和挑戰(zhàn)了；

·這次任務(wù)還有更商業(yè)化的部分，運(yùn)送了152位逝者的骨灰進(jìn)入太空，包括航天員Bill Pogue和航天記者Frank sietzen的骨灰，不過這只是Celestis公司的商業(yè)項(xiàng)目，而且并非首次太空骨灰發(fā)射。

STP-2發(fā)射任務(wù)圓滿完成，重型獵鷹第三次發(fā)射成功，最大的贏家可以說是SpaceX公司和美國(guó)空軍。復(fù)用火箭對(duì)SpaceX公司已經(jīng)不新鮮，但對(duì)美國(guó)空軍卻是全新事物，通過這次任務(wù)的摸索和學(xué)習(xí)，美國(guó)空軍將逐步建立重復(fù)使用火箭的使用流程和規(guī)范，未來可使用復(fù)用火箭進(jìn)行更多的發(fā)射，降低航天任務(wù)的發(fā)射成本。SpaceX公司通過這次發(fā)射成功也大有收獲——獵鷹九號(hào)火箭已經(jīng)通過了美國(guó)航天局和美國(guó)空軍的資格認(rèn)證，重型獵鷹火箭卻還需要連續(xù)三次發(fā)射成功才行。

從2018年首飛成功到STP-2任務(wù)正好是三次發(fā)射，至此重型獵鷹通過美國(guó)空軍的資格認(rèn)證。STP-2任務(wù)還特意驗(yàn)證了多次點(diǎn)火和多軌道面發(fā)射能力，證明重型獵鷹火箭具備將衛(wèi)星直送靜止軌道的能力。重型獵鷹火箭的運(yùn)力能滿足美國(guó)空軍目前所有的發(fā)射任務(wù)需求，可預(yù)見的未來也不存在它無法發(fā)射的大型衛(wèi)星，看來，傳統(tǒng)軍事發(fā)射承包商美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的好日子是快要到頭了。獵鷹九號(hào)和重型獵鷹火箭物美價(jià)廉，在未來的國(guó)家安全發(fā)射任務(wù)（NSSL）競(jìng)標(biāo)中處于非常有利的位置。雖然NSSL第一階段沒有SpaceX公司，但美國(guó)空軍表示并不影響其進(jìn)入第二階段競(jìng)標(biāo)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)，未來NSSL合同將分給兩家公司，大致按照60:40的比例?，F(xiàn)在NSSL第一階段的4家公司，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟可以說是美國(guó)空軍的“親兒子”，而且歷史發(fā)射記錄保持良好；藍(lán)色起源公司和諾斯洛普·格魯曼公司的新火箭研制進(jìn)展較慢，均處于不利地位，以至于藍(lán)色起源公司的CEO貝索斯一再要求推遲競(jìng)標(biāo)。大膽預(yù)測(cè)，如果不出意外，未來NSSL合同將是SpaceX公司拿到60%而聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟拿到40%。同樣，三次成功發(fā)射后，對(duì)價(jià)格和利潤(rùn)最高的國(guó)家偵察局大型衛(wèi)星發(fā)射合同，重型獵鷹火箭也有了競(jìng)標(biāo)資格。未來發(fā)射直送靜止軌道的大型偵察衛(wèi)星，是選1.6億美元的重型獵鷹還是3.5億美元的重型德爾塔IV，或是2億多美元的火神火箭？相信美國(guó)空軍會(huì)做出明智的選擇。毫不夸張地說，重型獵鷹火箭的這次成功，讓SpaceX公司拿到了軍用發(fā)射市場(chǎng)中利潤(rùn)最豐厚俱樂部的入場(chǎng)券。SATNET