“獵鷹重型”火箭連續(xù)成功發(fā)射影響分析

胡冬生 劉楠 張雨佳（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部）

2018年2月6日－2019年6月25日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭先后實(shí)現(xiàn)了3次成功飛行，為商業(yè)用戶和美國(guó)空軍運(yùn)送衛(wèi)星載荷，可靠性不斷提升，回收和重復(fù)使用技術(shù)也得到進(jìn)一步驗(yàn)證?！矮C鷹重型”火箭的連續(xù)成功發(fā)射， 對(duì)世界商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)格局、重復(fù)使用技術(shù)乃至運(yùn)載火箭發(fā)展路線，都將產(chǎn)生重要的影響。

1 三次發(fā)射任務(wù)概況

美國(guó)東部時(shí)間2018年2月6日，美國(guó)SpaceX公司在位于卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心LC－39A發(fā)射工位發(fā)射了“獵鷹重型”火箭，將一輛約1.25t的紅色特斯拉跑車送入了飛越火星的雙曲線軌道，成功實(shí)現(xiàn)了該型火箭的首飛。首飛所使用的2個(gè)助推芯級(jí)分別為2016年5月27日泰國(guó)通信－8（Thaicom－8）衛(wèi)星任務(wù)和7月18日商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)－9（CRS－9）任務(wù)中回收的獵鷹－9（Falcon－9）火箭一子級(jí)，并幾乎同時(shí)在相距300m的2個(gè)陸上著陸區(qū)實(shí)現(xiàn)回收，但中間芯級(jí)因發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火劑耗盡而造成著陸點(diǎn)火時(shí)2臺(tái)外側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)未能起動(dòng)，海上回收失敗。

美國(guó)東部時(shí)間2019年4月11日（北京時(shí)間2019年4月12日），“獵鷹重型”火箭在LC－39A發(fā)射工位將一顆6.46t的阿拉伯衛(wèi)星－6A（Arabsat－6A）送入遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為89808km的超地球同步轉(zhuǎn)移軌道，此次發(fā)射也是該型火箭的首次商業(yè)發(fā)射。同時(shí)，火箭2個(gè)助推芯級(jí)和中間芯級(jí)也分別在2個(gè)陸上著陸場(chǎng)和距發(fā)射場(chǎng)1000km的海上平臺(tái)成功回收，這也是中間芯級(jí)首次成功回收（隨后中間芯級(jí)由于海況惡劣未能及時(shí)固定在甲板上，造成傾倒并斷裂）。

“獵鷹重型”火箭首飛任務(wù)中2個(gè)助推芯級(jí)落地回收瞬

Arabsat－6A任務(wù)中回收的中間芯級(jí)

美國(guó)東部時(shí)間2019年6月25日，“獵鷹重型”火箭在LC－39A發(fā)射工位成功執(zhí)行了空間試驗(yàn)計(jì)劃－2（STP－2）發(fā)射任務(wù)，將24顆衛(wèi)星分別送入了3個(gè)不同的近地軌道，這也是該型火箭首次為美國(guó)空軍服務(wù)。此次發(fā)射使用的2個(gè)助推芯級(jí)為4月Arabsat－6A任務(wù)所回收，并再次在陸上成功回收，且回收船首次成功接住整流罩，但中間芯級(jí)海上回收失敗。

“獵鷹重型”火箭的3次飛行涵蓋不同的軌道任務(wù)，衛(wèi)星用戶包括商業(yè)衛(wèi)星公司和美國(guó)空軍，且每次任務(wù)都有新的突破，證明了該火箭強(qiáng)大的任務(wù)適應(yīng)能力和較高的可靠性，并日益得到用戶的認(rèn)可；同時(shí)，該火箭在任務(wù)中還驗(yàn)證了3個(gè)芯級(jí)、整流罩的回收以及助推芯級(jí)的重復(fù)使用能力，未來(lái)隨著重復(fù)使用技術(shù)的逐漸成熟，“獵鷹重型”火箭在履約周期和發(fā)射價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)也將進(jìn)一步顯現(xiàn)出來(lái)。

執(zhí)行STP－2任務(wù)的“獵鷹重型”火箭

2 火箭方案與技術(shù)分析

“獵鷹重型”火箭是在大量繼承獵鷹－9火箭成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的兩級(jí)液體重型運(yùn)載火箭，采用3個(gè)通用芯級(jí)并聯(lián)加二子級(jí)的構(gòu)型，以液氧/煤油為推進(jìn)劑，起飛時(shí)共有27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。該火箭全長(zhǎng)70m，芯級(jí)直徑3.66m，起飛質(zhì)量1420.8t，近地軌道最大運(yùn)載能力達(dá)63.8t，已超越目前所有現(xiàn)役火箭。其二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可多次起動(dòng)，具備直接將衛(wèi)星送入地球靜止軌道或執(zhí)行“一箭多星”任務(wù)的能力?！矮C鷹重型”火箭主要具有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。

通用化和模塊化設(shè)計(jì)

“獵鷹重型”火箭采用了通用芯級(jí)研制理念，通過多個(gè)芯級(jí)并聯(lián)以提升運(yùn)載能力，避免了大直徑箭體研制和生產(chǎn)所帶來(lái)的難題。同時(shí)，SpaceX公司提高了“獵鷹重型”火箭與獵鷹－9火箭2個(gè)型號(hào)的模塊化和通用化程度，“獵鷹重型”火箭直接繼承了獵鷹－9火箭的一子級(jí)、二子級(jí)和整流罩，真正實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)之間的產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)化。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，“獵鷹重型”火箭3個(gè)芯級(jí)均使用灰背隼－1D+（Merlin－1D+）發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)使用Merlin－1D+真空型發(fā)動(dòng)機(jī)?？梢哉f，SpaceX公司用一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、一個(gè)箭體直徑滿足了重型和大型火箭的規(guī)模和能力需求，實(shí)現(xiàn)了型號(hào)的產(chǎn)品化，提高了生產(chǎn)、測(cè)試、試驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)的效率，使得火箭量產(chǎn)成為可能，有利于大幅降低成本，提高火箭發(fā)射頻率。

獵鷹重型”火箭與獵鷹－9火箭構(gòu)型對(duì)比

可重復(fù)使用

“獵鷹重型”火箭的3個(gè)芯級(jí)繼承了獵鷹－9火箭的自主可控回收技術(shù)，回收后經(jīng)過檢測(cè)維護(hù)可以再次發(fā)射，從整體上大幅提升了重復(fù)使用率。全箭28臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中有27臺(tái)能夠重復(fù)使用，發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)用率達(dá)到96%。同時(shí)，SpaceX公司還一直在開展“獵鷹”火箭整流罩的回收和重復(fù)使用研究工作?？芍貜?fù)使用技術(shù)進(jìn)一步成熟后，必將大幅降低火箭發(fā)射費(fèi)用，縮短衛(wèi)星發(fā)射履約周期。

動(dòng)力系統(tǒng)冗余

“獵鷹重型”火箭一子級(jí)由3個(gè)獵鷹－9火箭一子級(jí)捆綁組成，共采用27臺(tái)Merlin－1D+發(fā)動(dòng)機(jī)。多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì)有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力冗余，當(dāng)一臺(tái)或多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，故障發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，重新規(guī)劃上升彈道，其他發(fā)動(dòng)機(jī)推力加大、工作時(shí)間延長(zhǎng)，具備在數(shù)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的情況下依然完成飛行任務(wù)的可能，從而提高了火箭的可靠性。

推進(jìn)劑交叉輸送

采用通用芯級(jí)構(gòu)型的“獵鷹重型”火箭具有使用推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的天然潛力。該技術(shù)可以將火箭助推芯級(jí)推進(jìn)劑輸送給中間芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用，從而盡早拋掉助推芯級(jí)的結(jié)構(gòu)干質(zhì)量，可以獲得更大的速度增量，使運(yùn)載能力提升20%。盡管優(yōu)勢(shì)巨大，但交叉輸送仍有大量關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，因而在“獵鷹重型”火箭實(shí)際飛行中并未采用，而是一直處于研發(fā)狀態(tài)。

3 意義與影響

對(duì)于SpaceX公司而言，成功實(shí)現(xiàn)“獵鷹重型”火箭3次飛行具有重要的戰(zhàn)略意義，對(duì)于世界航天也將產(chǎn)生重要影響。

推動(dòng)大型和重型火箭設(shè)計(jì)理念革新和發(fā)展

“獵鷹重型”火箭3次發(fā)射成功，證明了通過小推力發(fā)動(dòng)機(jī)冗余并聯(lián)達(dá)到重型火箭的所需推力有可能滿足可靠性要求。由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小的限制，SpaceX公司通過先進(jìn)的動(dòng)力冗余技術(shù)以及提高單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，創(chuàng)新性地解決了多發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)存在的問題。在箭體設(shè)計(jì)方面，“獵鷹重型”直接借用獵鷹－9火箭一子級(jí)，通過3個(gè)模塊并聯(lián)代替了重型火箭所需的大直徑箭體，為重型火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了另一種思路。

“獵鷹重型”火箭將對(duì)未來(lái)大型乃至重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)思路產(chǎn)生影響，尤其是在大部分航天國(guó)家和私營(yíng)航天公司還未掌握大推力高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、大直徑箭體制造技術(shù)的情況下，多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的通用芯級(jí)構(gòu)型將是在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大運(yùn)載能力的現(xiàn)實(shí)選擇。

進(jìn)一步?jīng)_擊世界商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)

雖然獵鷹－9火箭在近2年的發(fā)射表現(xiàn)搶眼，但其復(fù)用構(gòu)型的地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）極限運(yùn)載能力為5.5t，對(duì)于6t以上級(jí)別的大型通信衛(wèi)星則顯得力不從心。“獵鷹重型”火箭復(fù)用構(gòu)型的GTO極限運(yùn)載能力為8t，幾乎滿足所有大型通信衛(wèi)星的質(zhì)量要求，較為富裕的運(yùn)載能力也有望為衛(wèi)星提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，如將衛(wèi)星送入更高的軌道從而延長(zhǎng)衛(wèi)星工作壽命，或直接將衛(wèi)星送入地球靜止軌道（GEO）。而其復(fù)用構(gòu)型發(fā)射9000萬(wàn)美元、一次性構(gòu)型發(fā)射1.5億美元的低廉報(bào)價(jià)，更將進(jìn)一步蠶食阿里安－5（Ariane－5）火箭和“質(zhì)子”（Proton）火箭的剩余市場(chǎng)份額，沖擊世界商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)。

從目前掌握的數(shù)據(jù)來(lái)看，“獵鷹重型”火箭的市場(chǎng)份額還很小，主要受制于火箭的可靠性和大型衛(wèi)星的市場(chǎng)占比。隨著“獵鷹重型”火箭可靠性的日益提升，衛(wèi)星研制受火箭運(yùn)載能力的限制越來(lái)越小，可以根據(jù)任務(wù)需求充分考慮載荷配置和任務(wù)周期；尤其是在GEO軌道等軌位有限的情況下，衛(wèi)星有可能朝著大型化平臺(tái)的方向發(fā)展。因此，未來(lái)在大型商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射領(lǐng)域的市場(chǎng)還有待進(jìn)一步培育，并有望成為一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

重復(fù)使用火箭日益為衛(wèi)星用戶所接受

運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)可大幅降低火箭發(fā)射費(fèi)用，提升火箭發(fā)射頻率，有效縮短衛(wèi)星發(fā)射合同的履約周期。但一開始，SpaceX公司“獵鷹”火箭的重復(fù)使用并不被看好。用戶更加關(guān)注運(yùn)載能力、可靠性和價(jià)格，重復(fù)使用則普遍被認(rèn)為有可能降低火箭整箭的可靠性。然而，隨著SpaceX公司技術(shù)的不斷成熟，用戶的評(píng)價(jià)天平開始傾斜，重復(fù)使用帶來(lái)的誘人報(bào)價(jià)和快速履約能力終于在2017年打動(dòng)了“第一個(gè)吃螃蟹的人”-歐洲衛(wèi)星公司－10（SES－10）衛(wèi)星。迄今為止，SpaceX公司已進(jìn)行了20余次箭體復(fù)用發(fā)射，且都取得了成功，所涉及用戶包括各大商業(yè)衛(wèi)星公司、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）乃至軍方等，說明重復(fù)使用火箭日益為衛(wèi)星用戶所接受，而復(fù)用火箭也逐漸成為SpaceX公司執(zhí)行商業(yè)發(fā)射任務(wù)的“標(biāo)配”。

不可否認(rèn)的是，目前國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)上的主流還是一次性運(yùn)載火箭，這種情況的改觀還需要一段時(shí)間的積累。但重復(fù)使用作為運(yùn)載火箭的未來(lái)發(fā)展方向，必將取得長(zhǎng)足的發(fā)展，并逐漸在衛(wèi)星用戶的發(fā)射選項(xiàng)中占據(jù)主導(dǎo)。

有望承接深空探索和載人航天任務(wù)

自2011年啟動(dòng)“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）火箭研制以來(lái)，美國(guó)對(duì)其寄予厚望，NASA每年投入大量的資金予以支持，并制定了深空探測(cè)及載人航天發(fā)射等一攬子計(jì)劃。但“航天發(fā)射系統(tǒng)”研制進(jìn)展緩慢，已經(jīng)影響到美國(guó)載人登月的既定目標(biāo)。在此背景下，“獵鷹重型”火箭有望承接美國(guó)政府的部分深空探索和載人航天任務(wù)。據(jù)悉，NASA已決定使用“獵鷹重型”火箭代替“航天發(fā)射系統(tǒng)”發(fā)射“木衛(wèi)二快帆”（Europa Clipper）探測(cè)器，并改用商業(yè)火箭發(fā)射月球軌道平臺(tái)“門戶”（Gateway）項(xiàng)目的多個(gè)艙段。

“航天發(fā)射系統(tǒng)”飛行示意圖

“獵鷹重型”火箭超強(qiáng)的運(yùn)載能力為其應(yīng)用帶來(lái)了較大的空間，尤其是深空探索和載人航天等大項(xiàng)目下的大型航天器。但需要指出的是，“獵鷹重型”火箭并不能替代“航天發(fā)射系統(tǒng)”，其63.8t的運(yùn)載能力與“航天發(fā)射系統(tǒng)”的終極構(gòu)型相比還有很大差距，僅能在一定程度上彌補(bǔ)“航天發(fā)射系統(tǒng)”研制拖延所帶來(lái)的空缺。

4 思考與建議

美國(guó)SpaceX公司結(jié)合自身技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)造性地解決了“獵鷹重型”火箭的研制難題，并成功實(shí)現(xiàn)了3次飛行任務(wù)，對(duì)世界航天發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。結(jié)合我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展情況，提出以下幾點(diǎn)思考。

結(jié)合技術(shù)基礎(chǔ)合理制定運(yùn)載火箭發(fā)展路線，推進(jìn)運(yùn)載火箭能力的持續(xù)提升

目前，世界各國(guó)正在研制的新一代主流運(yùn)載火箭多為近地軌道運(yùn)載能力20噸級(jí)，但對(duì)于未來(lái)的大規(guī)模深空探索和載人航天任務(wù)，則需要有近地軌道運(yùn)載能力100t以上的重型運(yùn)載火箭。從20～100t以上，運(yùn)載能力增長(zhǎng)4～5倍，技術(shù)跨度相當(dāng)大，研制難度大、周期長(zhǎng)，對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)有相當(dāng)?shù)目简?yàn)，可能會(huì)在一定程度上拖延擬定的探測(cè)計(jì)劃。而基于20噸級(jí)大型運(yùn)載火箭的研制基礎(chǔ)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)和通用芯級(jí)捆綁技術(shù)，則有望將近地軌道運(yùn)載能力提升至50～70t，形成大型火箭與重型火箭之間的銜接，從而在重型火箭服役之前承擔(dān)前期的測(cè)試和探索工作，不失為一條較為經(jīng)濟(jì)和合理的途徑。俄羅斯基于時(shí)間及成本的考慮，即提出通過3枚聯(lián)盟－5（Soyuz－5）火箭并聯(lián)捆綁構(gòu)成超大型火箭，來(lái)實(shí)現(xiàn)初期的載人月球探索任務(wù)。

目前，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)征－5火箭的成功研制，突破了120t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、50t液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)和5m直徑箭體等關(guān)鍵技術(shù)，具備構(gòu)建近地軌道運(yùn)載能力50～70t超大型火箭的技術(shù)基礎(chǔ)。通過合理規(guī)劃火箭型譜、制定火箭發(fā)展路線，借助超大型火箭開展前期的探索任務(wù)，同時(shí)為重型火箭研制驗(yàn)證所需的相關(guān)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)火箭運(yùn)載能力的持續(xù)提升，拓展我國(guó)運(yùn)載火箭能力的覆蓋范圍，推進(jìn)我國(guó)載人航天和深空探測(cè)事業(yè)的有序、快速發(fā)展。

加速技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，增強(qiáng)我國(guó)運(yùn)載火箭的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

SpaceX公司基于商業(yè)運(yùn)營(yíng)考慮和自身技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地開創(chuàng)了一條商業(yè)化研制道路，憑借獵鷹－9和“獵鷹重型”火箭極高的性價(jià)比獲得了眾多衛(wèi)星用戶的青睞，在短短幾年內(nèi)力壓阿里安－5火箭和“質(zhì)子”火箭成為商業(yè)發(fā)射主力。而同時(shí)，其他火箭廠商也不甘寂寞，美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）、俄羅斯、歐洲航天局（ESA）、日本等都在積極研發(fā)新一代大中型運(yùn)載火箭，研制目標(biāo)均主要放在采取措施降低發(fā)射價(jià)格上，以應(yīng)對(duì)SpaceX公司帶來(lái)的沖擊，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？梢姡磥?lái)國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)越來(lái)越激烈，在各國(guó)運(yùn)載火箭性能逐步提升的情況下，發(fā)射價(jià)格日益成為衛(wèi)星用戶選用運(yùn)載工具的首要因素。

我國(guó)“長(zhǎng)征”火箭已走過50余年的發(fā)展歷程，并在國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)上以較低的價(jià)格獲得了一定的市場(chǎng)占有率。目前，我國(guó)正在推進(jìn)新一代運(yùn)載火箭系列的研制工作，并成功進(jìn)行了長(zhǎng)征－5、長(zhǎng)征－7、長(zhǎng)征－6等火箭的數(shù)次飛行，但尚不足以應(yīng)對(duì)國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。瞄準(zhǔn)未來(lái)，應(yīng)革新研制思路，以用戶需求為出發(fā)點(diǎn)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，加速技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，在完善新一代“長(zhǎng)征”火箭的性能、增強(qiáng)可靠性的同時(shí)，切實(shí)降低火箭發(fā)射成本，通過不斷的技術(shù)革新來(lái)提升“長(zhǎng)征”火箭的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，加大在國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)的份額。

加快研制重復(fù)使用火箭，盡快實(shí)施飛行演示試驗(yàn)

重復(fù)使用火箭是航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的方向之一，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、可靠、廉價(jià)進(jìn)出空間的重要途徑，美、俄、歐、日、印等國(guó)家和地區(qū)均大力推進(jìn)各自的重復(fù)使用運(yùn)載器項(xiàng)目。截至目前，SpaceX公司已完成20余枚一子級(jí)箭體的重復(fù)使用發(fā)射，其中有2枚箭體先后執(zhí)行了3次發(fā)射任務(wù)，而執(zhí)行美國(guó)空軍空間試驗(yàn)計(jì)劃－2（STP－2）發(fā)射任務(wù)的“獵鷹重型”火箭，也采用了2枚此前回收的助推芯級(jí)，表明運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)日趨成熟，火箭可靠性也在逐漸得到用戶的認(rèn)可。

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭采用液氧/煤油、液氧/液氫等航天動(dòng)力，同時(shí)開展了液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，具有實(shí)施重復(fù)使用的先天基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。應(yīng)進(jìn)一步加大重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研究力度，通過實(shí)施飛行演示試驗(yàn)盡快突破關(guān)鍵技術(shù)，提高技術(shù)成熟度，推動(dòng)重復(fù)使用技術(shù)的應(yīng)用，以適應(yīng)我國(guó)未來(lái)低成本、高密度發(fā)射的任務(wù)需求。