美國獵鷹－9可重復使用火箭方案研究

單文杰 代坤 康斯貝（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

2011年9月30日，美國太空探索技術（SpaceX）公司首席執行官兼技術總監艾倫·馬斯克（Elon Musk）在華盛頓國家新聞俱樂部（National Press Club）的演講中，首次披露了該公司研發可重復使用火箭的消息，這種新型火箭將是獵鷹－9（Falcon－9）火箭的可重復使用版。

1 獵鷹－9火箭概述

研制背景

2006年1月18日，為解決航天飛機退役后“國際空間站”的航天員與貨物運輸問題，美國航空航天局（NASA）啟動了為期5年、價值5億美元的“商業軌道運輸服務”（COTS）計劃。該計劃旨在支持私人企業發展航天技術，并最終為“國際空間站”提供貨物和航天員補給服務。

“商業軌道運輸服務”計劃第一階段的競爭分為兩輪：2006年的驗證競爭和2008年的驗證競爭。在第一輪競爭中，美國航空航天局收到了由20家公司遞交的29份提案，該局在2006－2010財年為中標公司投資5億美元。太空探索技術公司憑借獵鷹－9火箭和“龍”（Dragon）飛船方案競標成功。根據合同，截至2010年，太空探索技術公司共獲得2.78億美元投資。

在第二輪的競爭中，美國航空航天局共收到13份提案。2008年12月，美國航空航天局宣布把“商業軌道運輸服務”計劃合同授予美國太空探索技術公司和軌道科學公司（OSC）。這兩家公司將在2010－2016年為“國際空間站”提供獨立的貨運補給服務，期間需要分別向“國際空間站”運送質量達20t的貨物。其中，美國太空探索技術公司獲得了價值16億美元的合同，內容是使用獵鷹－9火箭發射“龍”飛船，在肯尼迪航天中心執行12次任務。

基本情況

獵鷹－9火箭是在美國太空探索技術公司獵鷹－1火箭的基礎上研制而成的，其設計目標是：研制出一種具備“改進型一次性運載火箭”（EELV）運載能力的新型火箭，同時顯著地增加可靠性、降低成本，提升快速響應能力。其設計理念包括簡化結構、消除故障或將故障最小化等。

獵鷹－9火箭有3種構型：一種是安裝5.2m直徑整流罩，另一種是安裝“龍”飛船，還有一種是獵鷹－9重型運載火箭（在第一種構型的基礎上捆綁2臺液體助推器）。

獵鷹－9火箭能顯著地降低進入太空的成本。安裝5.2m直徑整流罩的獵鷹－9火箭的發射費用為5000萬美元左右，可提供全套的發射服務，包括任務綜合費用、發射場費用和附加費用。此外，獵鷹－9火箭還可執行“一箭多星”發射任務。

一、二級分離

第一級著陸裝置展開

第一級著陸

第二級再入

第二級著陸

四次發射

2010年6月4日，美國太空探索技術公司的獵鷹－9運載火箭從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地首次發射升空，并于9.5min后將“龍”飛船的實體模型送入高度250km、傾角34.5°的預定軌道。這是美國“商業軌道運輸服務”計劃下開發的商業運載火箭進行的首次飛行試驗。

2010年12月8日，獵鷹－9火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射了美國太空探索技術公司研制的“龍”飛船，這是獵鷹－9火箭第二次執行發射任務。本次試驗的目的是對“龍”飛船進行首次驗證飛行。作為輔助有效載荷，獵鷹－9火箭此次發射還搭載了8顆微衛星，質量均在幾千克以內，它們分別隸屬于美國陸軍航天與導彈防御司令部、美國國家偵察辦公室、洛斯-阿拉莫斯國家實驗室等單位。

2012年5月22日，獵鷹－9火箭從卡拉維拉爾角發射場把美國太空探索技術公司研制的“龍”飛船第二次送入太空。10min后，“龍”飛船與火箭成功分離，并進入預定軌道。本次“龍”飛船的任務包括與“國際空間站”的交會、捕獲、靠泊等作業，并在對接6天后離開“國際空間站”返回了地球。

2012年10月8日，獵鷹－9火箭從卡拉維拉爾角發射場把美國太空探索技術公司研制的“龍”飛船第三次送入太空。不過發射中作為次級載荷的第2代“軌道通信”（Orbcomm）衛星因火箭出現故障，未能進入有效軌道。

2 獵鷹－9火箭方案

方案概述

獵鷹－9火箭包括重復使用的一級、二級火箭，第一級從亞軌道垂直返回，第二級再入時在熱防護系統的保護下垂直返回。這兩級火箭不會像航天飛機那樣滑翔返回，而是垂直下落，最后靠4個支架逐漸下降。然后補充燃料和修復，并重新發射。

“蚱蜢”計劃

為了研發可重復使用獵鷹－9火箭，美國太空探索技術公司秘密實施了“蚱蜢”（Grasshopper）計劃，來驗證相關技術。2012年9月21日，美國太空探索技術公司在得克薩斯州的測試場進行了第一跳測試。盡管這次測試只升空了1.83m，且不到3s，但是它是一系列測試活動的開始，目標是讓升空的火箭級可以重復使用。幾個月內，“蚱蜢”技術再次進行測試，升空高度達到30m。

“蚱蜢”第一跳

“蚱蜢”由獵鷹－9火箭的第一級貯箱構成，配有4個鋼著陸支架和一個鋼支撐結構，完全可重復使用。正常入軌后，火箭和飛船分離，圓柱形火箭通過自制導返回地面，盤旋著垂直下降至發射臺并利用4個鋼支架著陸。這兩級火箭都是僅靠火箭動力反推而不是用降落傘返回地球。太空探索技術公司計劃利用2～3年時間建造緊急逃生系統。該系統的逃生推進器被固定在飛船太空艙的一邊，因此可以使用它有動力著陸。

“蚱蜢”采用一臺灰背隼－1 D（Me r lin－1 D）發動機，推進劑為航空煤油和液氧，推力可達55338.224 k g，機體高32.3088 m，其中貯箱高25.908 m。第1次試飛高度為73.152 m，然后著陸，飛行時間45 s；第2次試飛高度為204.216m，然后著陸，時間仍是45s。此后的試飛高度依次提高，分別是365.76m、762m、1524m、2286m、 3505.2m，試驗歷時將逐漸增加到160s。

3 垂直著陸可行性分析

獵鷹－9火箭的第一級與第二級均采用垂直著陸方式，這種返回著陸方式與麥道公司提出的“三角快帆試驗機”（DC－X）及其改進型（DC－XA）方案相同。當時，該方案成功中標美國1990年8月提出的“單級入軌火箭技術計劃”（SSRTP）。

“三角快帆試驗機”是世界上第1個以火箭發動機為動力、垂直起降的完全重復使用運載器。在麥道公司所進行的12次“三角快帆試驗機”以及改進型的飛行試驗中，實現了最大飛行高度3155m，驗證了單級火箭系統垂直起降、快速飛回和簡化地面保障技術；驗證了自適應容錯飛行控制系統、飛行期間發動機的啟動能力與安全關機能力、允許1臺發動機發生故障的能力；首次進行了石墨/環氧復合材料液氫箱的飛行；實現了所有操作人員僅為12人；實現了快速重建，在改進型“三角快帆試驗機”第2次和第3次飛行之間，改換軟件、制導增益和降落點只需要6h，制導計算機的更換也只用了45min。“三角快帆”為未來可重復使用運載器的研制提供了豐富的技術、設計、制造和操作經驗。

“三角快帆試驗機”采用由4個可伸縮的套筒式支桿組成的起落架系統。這種套筒式起落架可以在著陸時吸收發動機熄火后的沖量并提供安全的著陸間隙。著陸支桿中裝有提供發動機熄火信號的傳感器。系統設計時考慮了在水泥平臺上正常著陸和利用降落傘在沙地應急著陸兩種模式。“三角快帆”試驗計劃由2組地面試驗和3組飛行試驗組成。改進型“三角快帆試驗機”全稱是“三角快帆”先進試驗飛行器。它主要用于驗證未來可重復使用運載器采用的諸如鋁鋰合金和復合材料液氧箱、復合材料液氫箱、低溫健康管理系統等技術。改進型“三角快帆試驗機”共進行了7次地面試驗和4次飛行試驗。在第4次飛行試驗中被燒毀，原計劃進行的第5次飛行試驗也被取消，該項技術驗證計劃也隨之提前結束。“三角快帆試驗機” 及其改進型的12次飛行試驗對運載火箭垂直著陸技術進行了充分驗證，它表明完全可重復使用獵鷹－9火箭的垂直著陸已是可行的。

“三角快帆試驗機”示意圖

4 啟示

通過分析美國太空探索技術公司獵鷹－9火箭及其可重復使用方案后，可以得到以下啟示：第一，美國政府力推美國太空探索技術公司這樣的私營商業航天企業，將很有可能改變未來全球航天事業的格局，特別是其商業模式一改過去舉國體制下“集中力量辦大事”的方式，也不同于少數幾家巨頭壟斷整個市場分享政府大訂單的傳統模式，其長遠影響可能是顛覆性的。第二，航天發射技術已逐漸成熟，技術門檻和資金門檻日益降低，全球發射市場對高可靠性、低成本商業運載工具的需求愈加強烈，完全可重復使用是降低一次性運載火箭發射成本的最有效的途徑，也是航天運輸系統必然的發展趨勢。第三，運載火箭垂直著陸的可重復使用方案已在國外經過飛行試驗驗證，我國的載人飛船也是采用垂直著陸方式，因此，研究垂直著陸的可重復使用技術有重要意義。