獵鷹重型火箭，緣何狂攬NASA十年訂單？

文/田豐

▲ USSF-44任務(wù)中助推器回收

2022年11月2日，太空探索技術(shù)公司在肯尼迪航天中心成功發(fā)射獵鷹重型火箭，將美國太空軍多顆軍用衛(wèi)星送入軌道，并成功回收兩枚助推器。這是“獵鷹重型”的第4次發(fā)射，但距離上次發(fā)射已有3年多。同時(shí)，這也是太空探索技術(shù)公司2022年的第50次發(fā)射。報(bào)道稱，美國太空軍對這次發(fā)射設(shè)置代號(hào)為USSF-44，具體任務(wù)內(nèi)容保密。這次發(fā)射進(jìn)一步驗(yàn)證了該火箭27發(fā)并聯(lián)構(gòu)型的可靠性，同時(shí)為后續(xù)多個(gè)深空發(fā)射任務(wù)積累了經(jīng)驗(yàn)和可靠性。

在如今星艦首飛進(jìn)入倒計(jì)時(shí)的時(shí)候，“獵鷹重型”的一次發(fā)射似乎并無亮點(diǎn)。但由于星艦的設(shè)計(jì)方案激進(jìn)，首飛已延宕一年有余。因此，太空探索技術(shù)公司在承接那些高軌高價(jià)值載荷合同時(shí)，實(shí)際只能仰仗這款已經(jīng)全無熱度的“準(zhǔn)重型”火箭，今天我們就來回顧一下這款采用“推力不夠數(shù)量湊”思路的火箭，是如何從“獵鷹9”的衍生品逐步演變成美國深空任務(wù)的“股肱之臣”的。

并聯(lián)設(shè)計(jì) 研發(fā)多年

“獵鷹重型”設(shè)計(jì)上最大的特點(diǎn)就是采用了“通用芯級設(shè)計(jì)”，將已有火箭的芯一級改造成助推器，與原有芯一級并聯(lián)發(fā)射，從而簡化助推器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，并大幅增加運(yùn)力。早在太空探索技術(shù)公司成立第二年，也就是2003年，這款并聯(lián)火箭的概念就已被提出，但當(dāng)時(shí)并聯(lián)的是3枚獵鷹1火箭芯一級，而非最終的獵鷹9火箭。

2011年，太空探索技術(shù)公司正式推出基于“獵鷹9”的“獵鷹重型”方案。自2013年起，該公司每年初都豪言要首飛，結(jié)果年年推遲，設(shè)計(jì)改了又改，首飛推了又推，直到2018年2月6日才終于首飛成功。由于業(yè)界對其27發(fā)并聯(lián)的設(shè)計(jì)心有余悸，首飛并無正式載荷，僅搭載了公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克的特斯拉跑車和一個(gè)假人。憑借此次發(fā)射，“獵鷹重型”成為現(xiàn)役運(yùn)載火箭運(yùn)力之王，該記錄維持近5年之久，直到2022年11月才被推遲多年的SLS超越。這次首飛的載荷從航天技術(shù)角度講毫無意義，但卻是營銷學(xué)上的一個(gè)極佳范例，利用一款沒有客戶敢用的首飛試驗(yàn)火箭和一款本應(yīng)放在庫房里吃灰的電動(dòng)跑車，近乎于0成本的同時(shí)為旗下兩家公司打了廣告。

相對于同為通用芯級設(shè)計(jì)的其他火箭，“獵鷹重型”的設(shè)計(jì)頗具特色，首先是助推器分離和一二級分離均采用了“冷分離”機(jī)構(gòu)。一直以來，火工品驅(qū)動(dòng)的“熱分離”機(jī)構(gòu)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，廣泛應(yīng)用在各種運(yùn)載火箭上。但是獵鷹系列火箭由于要回收，因此普遍采用氮?dú)鈬娚?，機(jī)械式推桿等無損冷分離方案，目前獵鷹9系列火箭已執(zhí)行近200次發(fā)射，卻陷入“空有屠龍刀，卻無龍可屠”的尷尬境地，訂單并未如預(yù)想一樣紛至沓來。主要原因有三：首先是運(yùn)力對于傳統(tǒng)商業(yè)客戶偏大；其次是一次發(fā)射成功的可靠性仍讓美國宇航局和軍方心存疑慮；還有，性價(jià)比不如“獵鷹9”突出。

▲ 2011年，“獵鷹重型”首次發(fā)布會(huì)，聽眾寥寥，模型粗糙

▲ “獵鷹重型”首飛載荷和整流罩，可見其整流罩實(shí)際尺寸

事實(shí)上，美國空軍和國家偵察局軌，可以節(jié)省大量衛(wèi)星推進(jìn)劑，可將衛(wèi)星在軌壽命從15年延長至18～20年。此次發(fā)射中“獵鷹重型”再度改版，全面基于2018年4月首飛的Block 5型獵鷹9改進(jìn)而來，推力提升，運(yùn)力提升，全面換用了鈦合金格柵舵，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙防熱結(jié)構(gòu)，換用新型箭體涂料。

2019年6月25日，“獵鷹重型”從未因冷分離失效而導(dǎo)致任務(wù)失敗。而“獵鷹重型”的側(cè)向助推器冷分離機(jī)構(gòu)也延續(xù)了該思路。

獵鷹重型火箭運(yùn)力指標(biāo)變化表（單位：公噸）

除此之外，“獵鷹重型”最初曾規(guī)劃采用“交叉燃料輸送”技術(shù)，該技術(shù)可在上升段實(shí)現(xiàn)助推器推進(jìn)劑向芯級轉(zhuǎn)移，從而使助推器更早關(guān)機(jī)分離，最終提升運(yùn)力。但考慮技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)力需求，最終采用了更穩(wěn)妥但效果較差的芯級節(jié)流方案。

當(dāng)然，說起這幾年最關(guān)鍵變化，主要在于運(yùn)力，“獵鷹重型”基于“獵鷹9”芯一級并聯(lián)而來，而“獵鷹9”從最初的1.0版本，一路升級至Block 5型，近地軌道運(yùn)力從不足10噸一路飆升至22.8噸，而“獵鷹重型”的運(yùn)力也借此機(jī)會(huì)水漲船高，具體變化詳見下表。

首飛過后 更加可靠

首飛的喧囂過后，“獵鷹重型”（NRO）確有發(fā)射需求，尤其是NRO著名的鎖眼（Keyhole）、導(dǎo)師（Mentor）等間諜衛(wèi)星。但NRO載荷歷來以“貴”出名，載荷造價(jià)堪比等身黃金，而通常一型火箭的前3次發(fā)射都具備較大風(fēng)險(xiǎn)，因此僅成功發(fā)射一次的“獵鷹重型”難言可靠，太空探索技術(shù)公司仍需一次高水平的正式任務(wù)證明其可靠性。

于是，Arabsat-6A通訊衛(wèi)星成為“獵鷹重型”的首個(gè)正式載荷，該合同簽訂于2015年，當(dāng)時(shí)獵鷹9火箭1.1版的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力僅有4.85噸，6.46噸的衛(wèi)星選用“獵鷹重型”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，已輕松涵蓋6噸級衛(wèi)星。但太空探索技術(shù)堅(jiān)持用“獵鷹重型”發(fā)射，任務(wù)中衛(wèi)星被送入一條“超同步軌道”，遠(yuǎn)地點(diǎn)高達(dá)9萬千米，遠(yuǎn)高于正常的3.6萬千米。更高的遠(yuǎn)地點(diǎn)便于衛(wèi)星圓

第3次發(fā)射，這是一次打包發(fā)射，包含美國軍方、美國宇航局和部分企業(yè)的多種載荷，因此有多個(gè)分離軌道。此次任務(wù)中火箭二級演示了長時(shí)間在軌滑行和重復(fù)點(diǎn)火能力。憑借此次任務(wù)，“獵鷹重型”獲得了“國家安全發(fā)射”（NSSL）計(jì)劃的認(rèn)證，可以發(fā)射敏感涉軍載荷，自此開啟了高價(jià)值、高軌道、高質(zhì)量載荷發(fā)射訂單的斬獲之路。2019年，由于太空探索技術(shù)公司將研發(fā)重心轉(zhuǎn)移至星艦，獵鷹9系列火箭的設(shè)計(jì)凍結(jié)，不再進(jìn)行改進(jìn)和挖潛。至此，“獵鷹重型”的性能也得以固定。最終獵鷹重型火箭高70米（約20層樓高），直徑3.66米，寬12.2米，起飛質(zhì)量1420噸，起飛推力2200噸，標(biāo)稱近地軌道運(yùn)力為63.8噸?！矮C鷹重型”的性能雖然已經(jīng)定格，但其銷路卻反而打開，尤其是“虎口奪食”般搶下了兩張美國宇航局“嫡子”的任務(wù)訂單。

▲ “獵鷹重型”首飛，清晰可見芯級節(jié)流

截胡“嫡子”兩大訂單

SLS這款集美國宇航局萬千寵愛于一身，由美國國會(huì)在經(jīng)費(fèi)、政策上“雙重”護(hù)航，基于航天飛機(jī)成熟技術(shù)“堆砌”而成的重型火箭，立項(xiàng)伊始就為其“量身定制”了一系列高價(jià)值深空載荷。然而在2021年2月，SLS兩張發(fā)射合同在一個(gè)月內(nèi)先后被獵鷹重型火箭截胡，業(yè)界一片嘩然。

首先被截胡的是探測木星系統(tǒng)的“歐羅巴快船”任務(wù)，這是美國宇航局的一個(gè)旗艦級深空任務(wù)，其發(fā)射質(zhì)量高達(dá)6噸，之前同為探測木星的“朱諾號(hào)”發(fā)射質(zhì)量僅有3.6噸。加之距離遙遠(yuǎn)，任務(wù)最初以SLS做為發(fā)射火箭準(zhǔn)備，但由于進(jìn)度一推再推，成本一漲再漲，加之SLS產(chǎn)量有限，排期和“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)沖突，美國宇航局只得另尋他法。

尋找替代火箭，首先需要衡量的就是運(yùn)力要夠，而衡量火箭的深空運(yùn)力常采用“特征能量”，也就是常說的C3值。這是一個(gè)衡量離開某天體引力作用范圍，轉(zhuǎn)移至另一個(gè)天體引力作用范圍的軌道所需的額外能量值。舉例而言，C3=0是恰好離開地球軌道的能量，而該局發(fā)射洞察號(hào)火星探測器的C3需求為8.19，帕克號(hào)太陽探測器的C3則高達(dá)154。對于一型火箭而言，目標(biāo)軌道的C3值需求越高，提供的運(yùn)力就越小。而當(dāng)C3高到一定程度后，該型火箭的有效運(yùn)力將跌至0，而這就是該火箭的深空運(yùn)力極限。根據(jù)任務(wù)需求，歐羅巴快船的替代火箭需在C3=41.69的前提下具有高達(dá)6噸的運(yùn)力。

由于要考慮火箭的性能包絡(luò)，從而提前設(shè)計(jì)其軌道和各項(xiàng)設(shè)備，因此替代火箭必須早早選定。而在美國宇航局開標(biāo)之時(shí)，舊火箭退役，新火箭沒飛，“獵鷹重型”順理成章地成為唯一選項(xiàng)。原計(jì)劃中，SLS能直接把探測器送入C3=82的地球木星轉(zhuǎn)移軌道，無需引力加速。換用“獵鷹重型”發(fā)射則需要兩次引力彈弓，耗時(shí)整整6年方能抵達(dá)木星，比原計(jì)劃延遲3年。但考慮到進(jìn)度、成本和可靠性，美國宇航局最終選擇“獵鷹重型”。如今，“獵鷹重型”已經(jīng)四戰(zhàn)四捷，且2024年艙段發(fā)射前還有2～3次發(fā)射可供積累可靠性，而SLS僅成功發(fā)射一次。

▲ 衡量火箭運(yùn)力的C3曲線值圖

▲ “獵鷹重型”正在起豎

無獨(dú)有偶，SLS的“太子”位被截胡并非孤例。2017年，“阿爾忒彌斯”計(jì)劃中的重要組成部分“月球軌道平臺(tái)門戶”（LOP-G）應(yīng)運(yùn)而生，在初期任務(wù)規(guī)劃中，空間站的兩個(gè)核心艙段是由2次SLS發(fā)射分別送入軌道的，并由獵戶座飛船帶至工作軌道并對接。同樣是因?yàn)镾LS進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)拖累，2019年美國宇航局轉(zhuǎn)而考慮成熟、靈活且低價(jià)的商業(yè)火箭，獵鷹重型火箭再次進(jìn)入備選清單。幾經(jīng)研究之后，該局于2021年2月正式選定“獵鷹重型”合并發(fā)射月球門戶的兩個(gè)核心艙段，合同價(jià)值3.318億美元。這個(gè)價(jià)格對比“獵鷹重型”的商業(yè)發(fā)射報(bào)價(jià)可謂昂貴，但要知道，美國宇航局最初發(fā)射兩艙段所擬用的兩發(fā)SLS耗資曾高達(dá)30多億美元。

軍用訂單“密碼”

一直以來，美國軍方重載高軌發(fā)射任務(wù)基本被重型德爾它4型火箭壟斷。作為德爾它4型系列火箭中運(yùn)力最強(qiáng)的一款，其服役已有18年之久，但發(fā)射成本居高不下，因此已進(jìn)入退役倒計(jì)時(shí)。其東家聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司已經(jīng)全力轉(zhuǎn)向新一代“火神”運(yùn)載火箭。

重型德爾它4發(fā)射單價(jià)高達(dá)4億美元，但仍能服役多年，其大運(yùn)力和特制的長整流罩功不可沒。前文曾提到合并發(fā)射的月軌空間站，實(shí)際上“獵鷹重型”是無法發(fā)射的，因?yàn)槠洮F(xiàn)有整流罩內(nèi)高僅11米，全直徑內(nèi)高僅6.7米，無法塞下合并后的空間站艙段。太空探索技術(shù)公司此時(shí)毅然表示將打造加長版整流罩以滿足要求，但實(shí)際上此舉并非為迎合美國宇航局，而是應(yīng)美國軍方的要求。當(dāng)時(shí)太空探索技術(shù)公司正與其他3家公司競逐“國家安全發(fā)射”項(xiàng)目。作為未來10年美國軍用航天發(fā)射的“劃地之戰(zhàn)”，中標(biāo)之后的“獵鷹重型”將接過重型德爾它4的部分天價(jià)機(jī)密載荷發(fā)射任務(wù)。太空探索技術(shù)公司勢必需要額外研發(fā)類似后者的全長15米，全直徑內(nèi)長11米的長整流罩，同時(shí)還要在LC-39A發(fā)射臺(tái)興建垂直總裝設(shè)施。而美國宇航局修改方案進(jìn)行合并發(fā)射，其實(shí)是借了軍方的東風(fēng)。

▲ 歐羅巴快船已經(jīng)開始總裝

眾所周知，現(xiàn)代火箭一般有兩種總裝方式，水平總裝和垂直總裝。兩種方案各有優(yōu)劣，但水平總裝由于火箭的總裝在水平狀態(tài)下完成，僅需常規(guī)廠房和起豎裝置即可，吊裝要求也不高，是太空探索技術(shù)公司等成本敏感公司的首選。但由于水平總裝需要先把載荷放平再和火箭對接，而部分帶有大型折疊機(jī)構(gòu)的敏感載荷無法承受“放倒”這一操作帶來的影響。這方面最好的例子還是重型德爾它4，它同時(shí)使用水平和垂直總裝設(shè)施，發(fā)射前先以“無頭”的形式組裝箭體，移動(dòng)到發(fā)射臺(tái)后再起豎，然后安裝敏感的載荷和整流罩。

▲ “獵鷹重型”的前三次發(fā)射任務(wù)

▲ 由“獵鷹重型”合并發(fā)射的月球空間站艙段

▲ 極地?fù)]發(fā)物調(diào)查探測車渲染圖

▲ 長整流罩和垂直總裝設(shè)施渲染圖

“獵鷹重型”作為重型德爾它4的平替型號(hào)，太空探索技術(shù)公司只得斥巨資興建垂直總裝設(shè)備。軍方和政府的訂單一直是最穩(wěn)定且最豐厚的資金來源，在火箭性能已逐漸接近乃至趕超競爭對手的時(shí)候，拓寬市場的最好方式便是消滅對手在特定領(lǐng)域的優(yōu)勢。

抓住空檔 狂攬訂單

現(xiàn)如今的獵鷹重型火箭雖然銷路已經(jīng)打開，且未來訂單不乏ViaSat-3這種高價(jià)值大重量的同步軌道通訊衛(wèi)星，但實(shí)質(zhì)上已經(jīng)成為一款政府任務(wù)專用火箭。縱觀剩余任務(wù)，美國宇航局和軍方合同占比高達(dá)90%以上，且還有部分未涉密發(fā)射任務(wù)未予公開。截至目前已公開的訂單和發(fā)射情況詳見下頁表格。

可以說，美國宇航局未來10年間的旗艦級探索任務(wù)已由“獵鷹重型”“事實(shí)性壟斷”。造成這一局面的原因主要有如下幾點(diǎn)：從外部來看，SLS自身超支拖延，已經(jīng)成為一款獵戶座飛船專用火箭，導(dǎo)致部分旗艦級深空探測器訂單轉(zhuǎn)移到獵鷹重型火箭手中。而最重要的是它抓住了重型德爾它4即將退役，而火神運(yùn)載火箭尚未首飛的“空窗期”。從內(nèi)部來看，獵鷹重型火箭運(yùn)力可觀，發(fā)射業(yè)績4射4成可靠性紀(jì)錄優(yōu)秀，軌道適應(yīng)能力強(qiáng)，價(jià)格上雖不如“獵鷹9”便宜，但還算“物有所值”。尤其是它通過“國家安全發(fā)射”認(rèn)證后，更是狂攬軍用發(fā)射任務(wù)。

獵鷹重型火箭未來發(fā)射任務(wù)清單

▲ 靈神星探測器渲染圖

現(xiàn)如今，獵鷹重型火箭已經(jīng)平平無奇，相關(guān)新聞已難掀波瀾，但其從首飛時(shí)無“載”敢“搭”，到如今“橫掃高軌”的轉(zhuǎn)變說明：一款火箭的成功，不僅要靠自身的努力，還要生逢其時(shí)，抓住友商“拉胯”的機(jī)會(huì)，才能獲得展現(xiàn)身手的機(jī)會(huì)。