獵鷹－9火箭復(fù)飛任務(wù)亮點(diǎn)分析

龍雪丹 楊開(kāi)（北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

獵鷹－9火箭復(fù)飛任務(wù)亮點(diǎn)分析

Highlights of Falcon 9 Re-Launch

龍雪丹 楊開(kāi)（北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

2017年1月14日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在范登堡空軍基地使用獵鷹－9（Falcon－9）火箭“一箭十星”，成功將銥星公司（IRIDIUM）的首批“下一代銥星”（Iridium NEXT）發(fā)射至高625km、傾角86.4°的目標(biāo)軌道，有效載荷質(zhì)量約9.5t，這是獵鷹－9有史以來(lái)搭載過(guò)的質(zhì)量最大的有效載荷。任務(wù)中，火箭一子級(jí)成功返回并垂直降落在太平洋海域的海上平臺(tái)。這是獵鷹－9的第29次發(fā)射，第7次成功回收，更是自2016年9月靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)中爆炸后的首次發(fā)射。本次發(fā)射原計(jì)劃在2016年9月末進(jìn)行，受9月1日靜態(tài)點(diǎn)火爆炸事故的影響而推遲至2017年1月9日，又因天氣原因而再次推遲。

獵鷹－9任務(wù)飛行時(shí)序

1 亮點(diǎn)分析

此次發(fā)射由于其特殊性擔(dān)負(fù)了諸多使命，不僅要成功部署“下一代銥星”，更重要的是在任務(wù)中驗(yàn)證獵鷹－9靜態(tài)點(diǎn)火故障改進(jìn)的效果，并在任務(wù)中完成海上回收一子級(jí)。

改變射前操作流程

（1）靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)未攜帶有效載荷

美國(guó)太空探索技術(shù)公司在每次發(fā)射之前都會(huì)在發(fā)射臺(tái)上對(duì)整箭進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，而且也是唯一進(jìn)行這項(xiàng)射前試驗(yàn)的發(fā)射服務(wù)公司。因?yàn)樘仗剿骷夹g(shù)公司一個(gè)重要的試驗(yàn)哲學(xué)就是，“試驗(yàn)狀態(tài)要接近飛行狀態(tài)，以實(shí)際飛行的狀態(tài)對(duì)整箭進(jìn)行試驗(yàn)”。所以在發(fā)射臺(tái)上進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)就是對(duì)發(fā)射全流程的演練，包括推進(jìn)劑加注，發(fā)射倒計(jì)時(shí)時(shí)以及一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火（點(diǎn)火過(guò)程利用發(fā)射牽制系統(tǒng)固定火箭），保證各個(gè)系統(tǒng)都能夠正常工作。

然而，太空探索技術(shù)公司并不是在所有射前點(diǎn)火試驗(yàn)中都會(huì)攜帶載荷，而是要根據(jù)用戶的要求，可以在試驗(yàn)前或試驗(yàn)后進(jìn)行星箭對(duì)接。之所以要攜帶衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，主要目的是為了縮短發(fā)射周期。可以看出，考慮到發(fā)射推遲的影響后，攜帶載荷進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)的情況下，發(fā)射周期更短。

2016年9月，獵鷹－9地面試驗(yàn)過(guò)程發(fā)生爆炸，火箭攜帶的價(jià)值2億美元的以色列阿莫斯－6（Amos－6）衛(wèi)星也在爆炸中損毀。受此影響，“銥”衛(wèi)星任務(wù)在2017年1月5日的靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)中并沒(méi)有攜帶有效載荷。火箭在完成試驗(yàn)后，需要泄出推進(jìn)劑，在運(yùn)輸起豎發(fā)射車放平后，返回水平裝配廠房，再完成星箭對(duì)接。

（2）調(diào)整發(fā)射前的推進(jìn)劑加注過(guò)程

2017年1月2日，太空探索技術(shù)公司宣布完成了2016年9月的事故調(diào)查，并說(shuō)明了事故原因。官方聲明稱，調(diào)查人員對(duì)事故發(fā)生前后超過(guò)3000個(gè)通道的視頻和遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了搜尋分析，充分利用臍帶纜線傳回的數(shù)據(jù)、地面拍攝視頻、爆炸碎片等線索，并在該公司加利福尼亞州霍桑總部以及德克薩斯州麥格雷戈試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次試驗(yàn)之后，確定了事故原因。最終得出結(jié)論∶事故是由于液氧在復(fù)合材料纏繞容器（COPV）的內(nèi)膽與復(fù)合材料層之間累積，導(dǎo)致容器破裂后引起爆炸。

獵鷹－9火箭一、二子級(jí)均使用復(fù)合材料纏繞容器來(lái)存儲(chǔ)氦氣，該容器內(nèi)膽材料為鋁，外層包裹碳纖維復(fù)合材料。調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)，事故中找回的該容器內(nèi)膽發(fā)生變形，雖然金屬內(nèi)膽變形并不能直接導(dǎo)致氦瓶爆炸，但會(huì)使內(nèi)膽和復(fù)合材料層之間產(chǎn)生空隙，使加注的超低溫液氧滲入其中。而且貯箱加壓之后，滲入的超低溫液氧會(huì)不斷地在空隙處累積。斷裂的碳纖維或摩擦都可能引燃滲入復(fù)合材料層內(nèi)的液氧，導(dǎo)致容器破裂。此外，調(diào)查人員確認(rèn)向復(fù)合材料纏繞容器中充入氦的溫度足夠低，很可能會(huì)使超低溫液氧固化，形成固態(tài)氧（SOX）。這就大大加劇了氧在內(nèi)膽與復(fù)合材料層之間積累和摩擦起火的可能性。在說(shuō)明事故原因的同時(shí)，太空探索技術(shù)公司也提出了改進(jìn)措施。為避免類似事故，該公司稱在近期將改變復(fù)合材料纏繞容器的技術(shù)狀態(tài)，允許其充入溫度更高的氦，將氦氣充氣操作恢復(fù)至之前已完成飛行驗(yàn)證的技術(shù)狀態(tài)，這種容器充氣技術(shù)狀態(tài)已經(jīng)成功應(yīng)用了700多次。從長(zhǎng)期來(lái)看，太空探索技術(shù)公司將改進(jìn)容器的設(shè)計(jì)，防止其產(chǎn)生變形，以便能夠使用更快的充氣方式。

在此次發(fā)射任務(wù)中，太空探索技術(shù)公司已經(jīng)調(diào)整推進(jìn)劑的加注過(guò)程，在以往獵鷹－9v1.2火箭 的發(fā)射任務(wù)中，一般是在射前35min同時(shí)開(kāi)始加注超低溫液氧和煤油。為了避免再次出現(xiàn)液氧固化引發(fā)復(fù)合材料纏繞容器損壞的情況，在此次任務(wù)中，該公司調(diào)整了推進(jìn)劑的加注過(guò)程，在發(fā)射前70min開(kāi)始加注煤油，在發(fā)射前45min開(kāi)始加注液氧。同時(shí)，還降低了容器的氦加注速度。

首次在太平洋海域成功回收運(yùn)載火箭一子級(jí)

獵鷹－9火箭一子級(jí)回收過(guò)程

此次任務(wù)后，太空探索技術(shù)公司已擁有7枚回收的獵鷹－9火箭一子級(jí)，分別在2次陸地回收和5次海上回收中實(shí)現(xiàn)。與此前該公司在大西洋完成的4次海上回收不同，本次是首次在太平洋上實(shí)現(xiàn)海上回收火箭，平臺(tái)停泊點(diǎn)距離范登堡空軍基地的發(fā)射場(chǎng)約370km。本次使用的海上回收平臺(tái)此前也不是經(jīng)常“出鏡”、停泊在東海岸的“當(dāng)然我還愛(ài)著你”（Of Course I Still Love You），而是留守西海岸的“請(qǐng)看說(shuō)明書”（Just Read the Instructions）。這也是該駁船首次完成海上回收火箭，上一次是在2016年1月賈森－3（Jason-3）高軌道任務(wù)中的一子級(jí)回收中使用，當(dāng)時(shí)因著陸時(shí)支架失效而回收失敗。

此次回收成功，證明歷經(jīng)多次失敗與成功回收后，太空探索技術(shù)公司相對(duì)于較難的火箭一子級(jí)海上平臺(tái)回收技術(shù)有了進(jìn)一步的掌握，日趨成熟。

“一箭十星”拉開(kāi)“銥”衛(wèi)星更新?lián)Q代序幕

本次發(fā)射采取“一箭十星”技術(shù)，將10顆首批“下一代銥星”送入預(yù)定軌道，單顆衛(wèi)星質(zhì)量860kg，加上碳纖維衛(wèi)星支架，共計(jì)9.6t，這是獵鷹－9發(fā)射過(guò)的質(zhì)量最大的載荷。根據(jù)測(cè)算數(shù)據(jù)，此次發(fā)射任務(wù)條件下，即目標(biāo)為高625km、傾角87°的圓軌道，并進(jìn)行海上火箭一子級(jí)回收，獵鷹－9v1.2運(yùn)載能力上限約為12t。

這10顆衛(wèi)星屬于銥星公司的“下一代銥星”，該計(jì)劃涉及81顆衛(wèi)星，其中包含66顆用以全面替換現(xiàn)有第一代“銥”衛(wèi)星的低地球軌道（LEO）通信衛(wèi)星、6顆在軌備用衛(wèi)星和9顆地面?zhèn)溆眯l(wèi)星。第二代“銥”衛(wèi)星計(jì)劃目標(biāo)是建立全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)地面實(shí)現(xiàn)100%的持續(xù)覆蓋。太空探索技術(shù)公司在2010年用4.92億美元的價(jià)格簽下了銥星公司70顆“下一代銥星”的發(fā)射任務(wù)。原計(jì)劃使用7枚獵鷹－9火箭在2015－2017年間完成星座部署。但受該公司總體發(fā)射任務(wù)推遲的影響，現(xiàn)計(jì)劃在未來(lái)18個(gè)月完成部署。

獵鷹－9火箭復(fù)飛任務(wù)有效載荷

面對(duì)第二代“銥”衛(wèi)星計(jì)劃，銥星公司和太空探索技術(shù)公司都背負(fù)了沉重的壓力。對(duì)于銥星公司而言，由于第一代“銥”衛(wèi)星星座的衛(wèi)星原本設(shè)計(jì)的使用壽命為7～10年，但它們?nèi)缃褚堰\(yùn)行了19年之久，因此急需對(duì)原有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次“大換血”。他們需要在現(xiàn)有衛(wèi)星失效之前，將新的星座衛(wèi)星部署完畢。目前，該網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)已經(jīng)出現(xiàn)了一定問(wèn)題，隨著時(shí)間的推移，問(wèn)題只會(huì)更加嚴(yán)重。另外，銥星公司在部署第一代“銥”衛(wèi)星星座的衛(wèi)星時(shí)，由于選用的是不同的運(yùn)載火箭，因此能夠迅速完成部署，而此次計(jì)劃的“下一代銥星”中的81顆衛(wèi)星已有70顆確定了發(fā)射任務(wù)，并全部交由太空探索技術(shù)公司。按照該公司的發(fā)射能力，即使每次發(fā)射10顆，也需要14個(gè)月才能完成任務(wù)。況且銥星公司也不是太空探索技術(shù)公司唯一的客戶，美國(guó)航空航天局（NASA）等重要客戶優(yōu)先于該公司。再加上發(fā)射成功的不確定性，如想按期完成任務(wù)難度很大。

2 小結(jié)

太空探索技術(shù)公司在采用新技術(shù)和新方法上一向比較大膽，例如∶為提高火箭性能，采用超低溫推進(jìn)劑；為探索重復(fù)使用技術(shù)，在發(fā)射任務(wù)中開(kāi)展驗(yàn)證；為縮短發(fā)射周期，整箭攜帶有效載荷進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火等。但創(chuàng)新帶來(lái)的問(wèn)題也是顯而易見(jiàn)的，正是由于對(duì)新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不到位，才造成了上一次爆炸事故。太空探索技術(shù)公司為實(shí)現(xiàn)復(fù)飛，改變射前操作，調(diào)整發(fā)射前的推進(jìn)劑加注過(guò)程，不在靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)中攜帶有效載荷，避免悲劇再現(xiàn)。上述事實(shí)再一次告誡我們，新技術(shù)的應(yīng)用不能以犧牲可靠性為代價(jià)，新技術(shù)、新方法的引入，應(yīng)充分考慮其附加影響，對(duì)實(shí)際能夠產(chǎn)生的效果和潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。

太空探索技術(shù)公司又一次成功完成了海上平臺(tái)回收任務(wù)，證明其對(duì)該技術(shù)的掌握越來(lái)越成熟，后續(xù)更值得關(guān)注的是該公司計(jì)劃在2017年首次利用回收的獵鷹－9火箭一子級(jí)再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，有效載荷為歐洲衛(wèi)星公司（SES）價(jià)值數(shù)十億美元的歐洲衛(wèi)星公司－10通信衛(wèi)星，一旦發(fā)射成功并再次完成回收，將對(duì)人類航天技術(shù)帶來(lái)顛覆性變革。

太空探索技術(shù)公司歷經(jīng)爆炸事故能夠順利重返航天發(fā)射舞臺(tái)值得慶幸，但他們還需要進(jìn)一步向客戶證明獵鷹－9火箭系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，發(fā)射任務(wù)屢遭推遲也是其需要克服的困難。該公司稱，2017年的目標(biāo)是執(zhí)行20～24次發(fā)射任務(wù)，之后每年將增加50%。而其目前發(fā)射次數(shù)最多的是2016年的8次，發(fā)生爆炸之后發(fā)射活動(dòng)被迫終止，開(kāi)展故障調(diào)查和改進(jìn)。未來(lái)，面對(duì)高密度的發(fā)射計(jì)劃，太空探索技術(shù)公司能否保證其獵鷹－9火箭可靠性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是在考慮到未來(lái)將采用回收火箭一子級(jí)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的情況下。