NROL-76發(fā)射：獵鷹火箭的新里程碑

□ 張雪松

NROL-76發(fā)射：獵鷹火箭的新里程碑

□ 張雪松

2017年5月1日晚上19時15分，“獵鷹”9號火箭從肯尼迪航天中心將美國國家偵察局的NROL-76衛(wèi)星發(fā)射升空，這是太空探索技術(shù)公司首次發(fā)射高度機(jī)密的軍用載荷，是該公司進(jìn)入軍用發(fā)射市場的里程碑。這次發(fā)射中“獵鷹”9號火箭第一級實現(xiàn)了教科書式返回和回收，二級長時間滑行后再次點(diǎn)火，也為執(zhí)行難度更高的靜止軌道直送任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

從無控再入到飛回式再入

嚴(yán)格地說，這并非太空探索技術(shù)公司第一次發(fā)射國家偵察局（NRO）的衛(wèi)星。早在2010年12月“獵鷹”9號火箭的任務(wù)中，一個NRO的立方星就作為次級載荷發(fā)射上天，但這次任務(wù)是“獵鷹”9號火箭和太空探索技術(shù)公司獲得軍方和情報部門認(rèn)可后，第一個軍用大型衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。它的成功為該公司進(jìn)軍軍用商業(yè)發(fā)射市場鋪平了道路。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟長期以來的“自留地”被搶，面對的競爭壓力更大了。

太空探索技術(shù)公司長期以來使用“獵鷹”9號火箭進(jìn)行海上和陸上著陸的重復(fù)使用試驗，那些技術(shù)試驗性質(zhì)的“蚱蜢”試驗略過不論，“獵鷹”9號第一級的再入和著陸試驗一直吸引著人們的眼球。自“獵鷹”9號的發(fā)射開始，再入著陸試驗就拉開帷幕。最早的試驗著重于突破再入關(guān)口，前兩次無控再入失敗后，太空探索技術(shù)公司放棄無控傘降方案，轉(zhuǎn)向反推控制再入方式。2013年9月29日的“獵鷹”9號火箭第6次發(fā)射中，第一級反推再入方案首次亮相，這也是“獵鷹”9號V1.1的首次發(fā)射。這次發(fā)射中第一級火箭成功實現(xiàn)完整再入，但由于箭體自旋發(fā)動機(jī)無法繼續(xù)工作最終墜毀。獵鷹火箭第九次發(fā)射也就是第二次嘗試中，第一級箭體就成功從10倍音速的速度減速再入并完整落到海面，宣告了火箭箭體再入試驗的成功。接下來2014年7月14日的第10次發(fā)射中，火箭第一級飛到肯尼迪中心附近的海面后再落入海中，驗證了火箭飛回式飛行的可行性。試驗開始前，人們高估了高速再入穿過大氣層的難度，而低估了箭體的垂直著陸的難度，接下來的著陸試驗獵鷹火箭第一級都完整再入?yún)s在海上降落試驗中撞得“頭破血流”。

①“獵鷹”9號火箭將NROL-76衛(wèi)星發(fā)射升空

②發(fā)射NROL-76衛(wèi)星的“獵鷹”9號火箭第一級成功回收

③第17次發(fā)射時海上著陸失敗

④CRS-8任務(wù)中，火箭首次成功在大西洋上的浮動回收平臺著陸

⑤發(fā)射NROL-76衛(wèi)星的一級火箭著陸

⑥CRS-6任務(wù)中，火箭在肯尼迪中心的LZ-1著陸場成功著陸

順利的回收之路

“獵鷹”9號的第14次和第17次發(fā)射中，火箭兩次著陸失敗，硬砸到海上浮動回收平臺上。不過失敗是成功之母，根據(jù)試驗中暴露的問題，太空探索技術(shù)公司進(jìn)行了針對性的改進(jìn)，為成功積累了經(jīng)驗。2015年12月22日，“獵鷹”9號火箭進(jìn)行了第20次發(fā)射，這是空間站貨運(yùn)CRS-7任務(wù)也就是第19次發(fā)射失敗后臥薪嘗膽的翻身仗，但太空探索技術(shù)公司并沒有保守地保成功，而是使用了新的“獵鷹”9號V1.1FT（全推力版）火箭。火箭使用大幅度增推的發(fā)動機(jī)，長度也進(jìn)一步加長，運(yùn)載能力大有提高不說，還繼續(xù)進(jìn)行回收試驗。皇天不負(fù)苦心人，這次發(fā)射中“獵鷹”9號第一級在肯尼迪中心的LZ-1著陸場成功著陸，這也是人類歷史上第一枚飛回式返回并著陸的運(yùn)載火箭。

一回生二回熟，接下來太空探索技術(shù)公司的回收之路就順利多了。2016年3月SES-9衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)中，獵鷹火箭第一級嘗試在船上著陸。這是一次挑戰(zhàn)極限的回收，由于剩余燃料太少沒有進(jìn)行反推減速，結(jié)果不僅箭體燒蝕嚴(yán)重，最終著陸也失敗了。2016年4月的CRS-8任務(wù)中，火箭首次成功在大西洋上的浮動回收平臺著陸，5月發(fā)射JCSat-14通信衛(wèi)星時又船上著陸成功。發(fā)射通信衛(wèi)星時第一級分離速度更高難度也更大，但也更有實用價值。2016年7月空間站貨運(yùn)CRS-9任務(wù)中“獵鷹”9號火箭第一級返回LZ-1著陸成功，這是近地軌道發(fā)射中首次飛回著陸。“獵鷹”9號火箭至此嘗試了各種方式的返回著陸，隨后可以說回收轉(zhuǎn)入常態(tài)化。回收了第一級火箭，重復(fù)使用第一級也提上日程，2017年3月30日SES-10衛(wèi)星發(fā)射中，獵鷹火箭第一級是在第23次發(fā)射中回收的，這是運(yùn)載火箭的首次重復(fù)使用。

為第二級回收做準(zhǔn)備

NROL-76發(fā)射任務(wù)中，國家偵察局訂購的火箭倒沒有使用回收的第一級，但這次發(fā)射中太空探索技術(shù)公司第一次精確地展示第一級火箭回收的各個關(guān)鍵事件，這對其他火箭廠商以及航天愛好者分析獵鷹火箭的回收過程具有重要價值。從官方直播視頻上看，火箭第一級在約70千米高度以約1680米/秒速度分離后，隨后調(diào)姿并進(jìn)行反推點(diǎn)火減速，第一級速度很快在重力和反推作用下降低到約700米/秒，關(guān)機(jī)后繼續(xù)上升到達(dá)約166千米高度的彈道頂點(diǎn)，速度也降低到約290米/秒。第一級火箭再入大氣層前在約66.8千米高度、1395米/秒的速度下進(jìn)行第三次點(diǎn)火反推，工作29秒后火箭速度降低到743米/秒，此時高度還有37.2千米，這次點(diǎn)火大大降低了進(jìn)入稠密大氣層后的受力和燒蝕。火箭第一級箭體此后依靠氣動阻力在3600米高空已經(jīng)減速到約290米/秒的速度，火箭隨后進(jìn)行著陸后的最后一次點(diǎn)火，一直持續(xù)到火箭垂直著陸。從官方直播提供的數(shù)據(jù)看，這顆衛(wèi)星可能質(zhì)量不大，火箭第一級剩余很多推進(jìn)劑，太空探索技術(shù)公司選擇在3600米高空就進(jìn)行著陸反推，以保證陸回收的成功率。

NROL-76發(fā)射圓滿成功，回收成功也早已司空見慣，但這次發(fā)射中仍進(jìn)行了兩項比較新的試驗。首先是嘗試回收整流罩，通過翼傘回收整流罩可以復(fù)用更多部件，進(jìn)一步降低發(fā)射成本。其次是第二級將衛(wèi)星送入軌道后，進(jìn)行了長達(dá)3.5小時的長時間滑行，隨后再次點(diǎn)火成功，這同樣是該公司技術(shù)的一大突破。目前只有聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“宇宙神” 5和“德爾它”4火箭，以及俄羅斯的“質(zhì)子”火箭進(jìn)行過將衛(wèi)星直接送入靜止軌道的發(fā)射，其中聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的火箭的低溫上面級可以進(jìn)行長時間滑行和多次點(diǎn)火，又比使用專用常溫推進(jìn)劑的微風(fēng)上面級技高一籌。“獵鷹”9號火箭在JCSat-14衛(wèi)星發(fā)射中，第二級就嘗試過約1小時的滑行，這一次滑行時間延長到3.5小時，距離直送靜止軌道需要的約6小時滑行時間又近了一步。雖然“獵鷹”9號火箭直送靜止軌道的價值很小，但未來的重型獵鷹火箭必然發(fā)展出直送靜止軌道的能力，以競爭美國空軍和國際偵察局的高價值軍用衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，這將進(jìn)一步或者說徹底的擠壓聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的市場。獵鷹火箭第二級的長時間滑行和多次點(diǎn)火能力，對于未來進(jìn)行第二級的再入和回收也是必備的條件，太空探索技術(shù)公司計劃未來在重型獵鷹上進(jìn)行第二級的回收嘗試。

總而言之，NROL-76發(fā)射任務(wù)雖然使用的是一枚新的“獵鷹”9號火箭，但它是太空探索技術(shù)公司闖入軍用發(fā)射市場的標(biāo)志。這次發(fā)射不僅例行成功進(jìn)行了第一級回收，還試驗并實現(xiàn)了整流罩回收，并完成了第二級的長時間滑行和再次點(diǎn)火試驗，為第二級回收和進(jìn)軍高價值軍用衛(wèi)星發(fā)射奠定了基礎(chǔ)，是獵鷹火箭成功道路上新的里程碑。★