獵鷹重型火箭的追求：更強(qiáng)大更便宜更可靠

2018-03-16 07:32:54張雪松王鑫

太空探索 2018年3期

文 / 張雪松王鑫

獵鷹重型火箭原定2013年首飛，然而直到北京時間2018年2月7日凌晨4點45分才從美國卡納維拉爾角的LC-39A工位發(fā)射升空。獵鷹重型成功將櫻桃色的特斯拉跑車送入深空軌道。作為當(dāng)今世界運力最強(qiáng)的火箭，它的發(fā)射吸引了全世界的目光。讓我們來說說獵鷹重型火箭的光輝成就吧。

▲ 帶著紅跑起飛

▲ 回收場上的兩枚助推器

最強(qiáng)大的運載火箭

獵鷹重型火箭高70米（約20層樓高），寬12.2米，起飛質(zhì)量1420噸，近地軌道運力63.8噸，是當(dāng)今世界最強(qiáng)大的運載火箭。太空探索技術(shù)公司還沒上市，一家靠自有資金的私營公司居然做出來當(dāng)今世界運載能力最強(qiáng)的運載火箭！這是不是讓人有點意外？土星5號和能源號（N-1不算）重型火箭，以及航天飛機(jī)和能源公司的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)都是航天迷念念不忘的談資，然而俱往矣，數(shù)風(fēng)流人數(shù)還看今朝，獵鷹重型火箭發(fā)射成功后已經(jīng)成為目前運力最強(qiáng)的火箭。

獵鷹重型火箭之前，運載能力第一的是美國的德爾塔4火箭，它的近地軌道運力為28.79噸。不過和獵鷹重型相比，它就小巫見大巫了。獵鷹重型火箭近地軌道運力高達(dá)63.8噸，是他的兩倍還多！獵鷹重型火箭的高軌道運力也相當(dāng)可觀，它可以把26.7噸載荷射入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，還能把16.8噸載荷送入火星轉(zhuǎn)移軌道，甚至能把3.5噸載荷送到冥王星軌道！

如果你對這些數(shù)字沒有感覺，我們來一個直觀的印象：獵鷹重型火箭的理論運力，能把載150人的波音737-300客機(jī)送入近地軌道，如果不是整流罩包絡(luò)尺寸太小，波音版“航天飛機(jī)”就要重現(xiàn)了。它還能把加滿燃料的空間站核心艙送入同步轉(zhuǎn)移軌道。2015年7月14日“新視野號”飛掠冥王星，不過它當(dāng)年用宇宙神5-551火箭發(fā)射，質(zhì)量僅有478千克，上面的儀器載荷更是僅有30.4千克，而“獵鷹重型”能把7倍于新視野號的探測器送到冥王星軌道，這對行星科學(xué)家們是多大的好消息啊。

▲ 獵鷹9號-CRS1-發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)-碎片

▲ 兩枚助推器返回著陸

最便宜的重型火箭

獵鷹重型的強(qiáng)大運力備受關(guān)注，太空探索技術(shù)公司也一直大肆宣傳這是土星5號以來最強(qiáng)的運載火箭，不過它更值得炫耀的是低成本。太空探索技術(shù)公司一直是囊中羞澀、精打細(xì)算，火箭一貫有低成本的好名聲。2011年公司老板艾隆·馬斯克就在官方網(wǎng)站上炫耀，說我們獵鷹火箭比一向以價廉出名的中國火箭還便宜，美國式的創(chuàng)新頂呱呱。當(dāng)年獵鷹9號火箭報價5400萬美元，現(xiàn)在獵鷹重型成功后就更厲害了，在價格上把歐美老牌公司的火箭甩出一條街。

馬斯克造出獵鷹9號火箭，花了3億美元，讓人大吃一驚。“獵鷹重型”也保持了這一傳統(tǒng)，獵鷹重型火箭發(fā)射成功后，馬斯克忍不住又來炫耀性地憶苦思甜：“獵鷹重型”研制難度真高啊，我們公司曾三度打算取消這個項目！最后我們完成了研制，花了5億多美元吧。馬斯克故作輕松的輕描淡寫背后，航天迷們眼鏡碎了一地，5億美元？！我的天啊，阿里安5火箭研制花了80億美元，現(xiàn)在號稱廉價的阿里安6火箭也要40億美元，這還是20噸級運力的大型火箭，而獵鷹重型可是63.8噸的運力啊。美國宇航局和波音公司正在研制SLS重型火箭，火箭第一階段運力70噸，它要花多少錢呢？從啟動項目到首次發(fā)射需要180億美元，另外一枚SLS發(fā)射費用少說也要5億美元到7億美元。相比之下，5億美元美元研制的獵鷹重型火箭，每一次發(fā)射只需要9000萬美元，這是何等的物美價廉。“獵鷹重型”說自己物美價廉成本最低，自然是當(dāng)之無愧的。

最可靠的運載火箭

獵鷹重型火箭是一種捆綁式運載火箭，芯一級和助推器總計27臺梅林1D液氧煤油發(fā)動機(jī)。27臺發(fā)動機(jī)是不是很嚇人，看到這么多臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)，大家肯定立刻想到了蘇聯(lián)的N-1重型火箭。N-1火箭并聯(lián)的發(fā)動機(jī)更多，30臺NK-15發(fā)動機(jī)，結(jié)果N-1火箭四次發(fā)射全部失敗。有了N-1火箭的前車之鑒，大眾普遍覺得“獵鷹重型”的可靠性堪憂，然而理論上其實是截然相反的。

▲ “獵鷹重型”矗立在發(fā)射臺上

獵鷹重型火箭基于獵鷹9號火箭研制，獵鷹9號火箭第一級并聯(lián)9臺梅林1D發(fā)動機(jī)，9臺發(fā)動機(jī)其實也不少了，它可靠性如何呢？獵鷹9號火箭已經(jīng)取得了49次任務(wù)47次成功的記錄，成功率達(dá)到了95.9%。值得一提的是，2012年10月8日獵鷹9號火箭執(zhí)行國際空間站貨運的CRS-1任務(wù)時，其中一臺發(fā)動機(jī)故障關(guān)機(jī)，發(fā)動機(jī)外的保護(hù)罩在壓力下分崩離析，結(jié)果其他8臺發(fā)動機(jī)仍然把龍飛船送到了國際空間站。獵鷹9號火箭即使起飛后30秒有一臺、90秒后有兩臺發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，也能把載荷送入軌道，多發(fā)并聯(lián)的推力冗余能力相當(dāng)卓越。

多發(fā)推力冗余并非獵鷹9號火箭首創(chuàng)，N-1火箭也有推力冗余能力，只不過蘇聯(lián)人的飛控系統(tǒng)實在太爛，成事不足敗事有余，反而是火箭失敗的元兇。多發(fā)推力冗余也有成功的例子，美國20世紀(jì)60年代的土星1號火箭和土星5號火箭都是多發(fā)并聯(lián)。1962年11月18日的土星1號第三次發(fā)射任務(wù)中，為了測試可靠性特意提前關(guān)閉了一臺H-1發(fā)動機(jī)，但火箭靠另外7臺H-1發(fā)動機(jī)還是正確入軌了。1968年4月4日土星5號第二次發(fā)射，飛行中出現(xiàn)了嚴(yán)重POGO共振，導(dǎo)致兩臺J-2發(fā)動機(jī)相繼關(guān)機(jī)，但火箭靠著剩下3臺J-2發(fā)動機(jī)仍然把飛船送入軌道。1970年11月4日發(fā)射了著名的阿波羅13號飛船，我們更熟知飛船的危機(jī)和傳奇的拯救，很少有人留意到飛行時第二級又有一臺J-2發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)，但飛船還是進(jìn)入了預(yù)定軌道，“土星5號”多發(fā)冗余性也很出色的。

火箭使用多發(fā)并聯(lián)推力冗余設(shè)計，固然有蘇聯(lián)N-1火箭這個反面典型，但也有“土星1號”“土星5號”和“獵鷹9號”三個正面例子，看到多發(fā)并聯(lián)就說可靠性差，只是一種思維定勢而已。其實理論上更好理解，多發(fā)并聯(lián)的火箭，單發(fā)出問題的概率固然比使用單臺發(fā)動機(jī)的火箭高，但是發(fā)動機(jī)故障未必導(dǎo)致發(fā)射失敗。多數(shù)發(fā)動機(jī)故障都是推力不足或是提前關(guān)機(jī)等問題，對于沒有推力冗余的火箭，出現(xiàn)這樣的故障發(fā)射肯定就失敗了，但對于“土星1號”“土星5號”和獵鷹9號火箭，單發(fā)故障根本不算事。獵鷹重型火箭有27臺梅林1D發(fā)動機(jī)，冗余性進(jìn)一步提高，即使更多發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障也能入軌，發(fā)射可靠性其實是大大提高了。

另外，獵鷹系列火箭還獨創(chuàng)了火箭第一級回收復(fù)用的新路，這同樣大大提高了火箭可靠性。現(xiàn)在運載火箭發(fā)射成功率不高，比如著名的聯(lián)盟號火箭也就是97.4%的成功率，但民航飛機(jī)的可靠性可就高多了。要是民航機(jī)飛行只有97.4%的成功率，飛行100次就要失事2、3次，誰還敢坐飛機(jī)啊？！航空航天不分家，波音公司就既造飛機(jī)也造火箭，那為什么民航客機(jī)就那么可靠呢？無論說波音造火箭用的零部件是次品，還是波音的火箭冗余度太小，或是火箭就是更復(fù)雜，都說不過去。飛機(jī)重復(fù)使用，而火箭一次性發(fā)射，才是最根本的區(qū)別！重復(fù)使用的飛機(jī)每次回來都要維修，根據(jù)飛行和維護(hù)發(fā)現(xiàn)的問題改進(jìn)提高，而一次性的火箭發(fā)射出去，只有寥寥無幾的遙測信號。即使火箭出現(xiàn)凌空爆炸這樣的大問題，也只能盲人摸象一樣去排故，真實的故障原因只有老天知道。獵鷹火箭第一級能回收回來，這就不一樣了，工程師們可以用現(xiàn)代測量傳感器對回收的火箭做“CT”，火箭飛行中的問題和飛行后的狀態(tài)一目了然。地面“體檢”獲得的數(shù)據(jù)比飛行中的遙測信號信息不知多了多少倍，自然更容易改進(jìn)并提高可靠性。

▲ 27臺梅林-1D+發(fā)動機(jī)

獵鷹重型火箭同樣要進(jìn)行回收，而且回收比例更高。算下來28臺發(fā)動機(jī)的獵鷹重型火箭，要回收三枚第一級箭體和27臺火箭發(fā)動機(jī)，只有第二級箭體和一臺真空版梅林1D發(fā)動機(jī)一次性使用。獵鷹重型火箭起飛級三枚火箭助推段都計劃回收，其中火箭第一級兩臺側(cè)裝助推器在卡納維拉爾角成功著陸，雙箭齊落的場面相當(dāng)科幻；而芯一級本來準(zhǔn)備降落到海面回收駁船上，但沒有成功。芯一級火箭出現(xiàn)了低級錯誤，發(fā)動機(jī)點火劑居然耗盡了，本來打算三臺發(fā)動機(jī)點火反推落船，可只有一臺發(fā)動機(jī)點火，結(jié)果芯一級以483公里/小時的速度砸到回收船100米外的海上。當(dāng)然芯級回收失敗瑕不掩瑜，這種低級錯誤很容易改進(jìn)，將來“獵鷹重型”發(fā)射回收檢測復(fù)用一條龍，不斷迭代改進(jìn)下去，火箭可靠性怎么會不高呢？毫不夸張的說，假以時日，“獵鷹重型”必將成為最可靠的重型火箭。

▲ 預(yù)定的芯一級回收船

出軌的極速跑車

▲ 遠(yuǎn)離地球的特斯拉跑車和星星俠

獵鷹重型首次發(fā)射，載荷居然是一部特斯拉RoadSter跑車。特斯拉是馬斯克名下的電動汽車品牌，一輛全新的特斯拉Roadster售價為20萬美元。本次上天的這輛車是2009年生產(chǎn)的，當(dāng)這輛跑車進(jìn)入軌道后，要伴著搖滾歌星大衛(wèi)·鮑依的成名曲《太空怪人》在太空飛馳，它將成為史上跑得最快的電動車。科幻迷馬斯克為這部跑車添加了很多令人感動的科幻梗：比如它帶了一個名為Starman的假人，車上帶著《銀河系漫游指南》，觸摸屏上打出漫游指南中“Don’t Panic”（不要驚慌）的格言，還帶著條指南中的萬能物品：“毛巾”。“Don’t Panic” 是馬斯克定的家規(guī)第一條，他教育他的五個小孩不管遇到什么事都不要驚慌；而這次發(fā)射的假人還有一個任務(wù)，就是要測試航天服的氣密性，以便用于以后的載人飛行。另外車上居然還有仿效“旅行者號”的光盤，不過放的是艾薩克·阿西莫夫的經(jīng)典名著《基地》系列小說。

當(dāng)然重點不是這個，而是特斯拉跑車出軌了，出軌了！馬斯克早早就宣布特斯拉跑車將前往火星軌道，不過實際發(fā)射結(jié)果讓很多人感到困惑：馬斯克推特上發(fā)文說，特斯拉跑車將越過小行星帶，深入到小行星帶，看他發(fā)的圖距離谷神星都不太遠(yuǎn)了。這么看來，櫻桃色的特斯拉跑車是真的出軌了？獵鷹重型火箭打飛了紅色跑車，這火箭入軌精度差的可不是一點半點，虧你上面還說它是最可靠的火箭。其實不然，早在發(fā)射前馬斯克就已經(jīng)改變了方案，表示這次要耗盡關(guān)機(jī)而不是程序關(guān)機(jī)，換句話說就是燒光燃料，跑車打到哪里算哪里，這種先射箭后畫靶子的方式，總不能說跑車出軌吧。

獵鷹重型發(fā)射成功后，馬斯克在推特上發(fā)文發(fā)圖表示，特斯拉跑車進(jìn)入近日點0.98天文單位、遠(yuǎn)日點2.61天文單位的繞日橢圓軌道，不過他還畫蛇添足的加了一行C3 Earth 12.0。筆者第一眼看到這圖就起了疑心，C3=12，能打那么遠(yuǎn)，不對勁吧。果然，接下來被馬斯克和太空探索技術(shù)公司搶了風(fēng)頭的美國宇航局就出來打臉了。美國宇航局下屬的噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）發(fā)布跑車軌道數(shù)據(jù)，近日點0.986，遠(yuǎn)地點1.667天文單位，軌道周期586天，特斯拉跑車還真“出軌”了。哈哈，馬斯克難得出了次洋相，先射箭后畫靶子也能出軌，這也算是千古奇聞吧。

相關(guān)鏈接：獵鷹重型火箭的可復(fù)用設(shè)計

獵鷹重型火箭的可復(fù)用設(shè)計，使得它的發(fā)射報價較一次性使用火箭大大降低，因而雖然其眼下訂單不足，但未來依舊值得看好。

獵鷹重型火箭全箭28臺發(fā)動機(jī)，回收其中27臺（火箭二級1臺發(fā)動機(jī)不回收），若以火箭發(fā)動機(jī)復(fù)用為指標(biāo)，復(fù)用率為96.4%，從這個角度來講，這和完全復(fù)用區(qū)別已經(jīng)不大。當(dāng)然回收不僅可以讓火箭變得“好用”，也可以讓發(fā)射變得“好看”。獵鷹重型火箭發(fā)射的可觀賞性在當(dāng)今運載火箭領(lǐng)域可謂無出其右，僅三發(fā)同時回收這一壯觀景象就值得大書特書。但由于獵鷹重型火箭已經(jīng)取消了交叉燃料輸送技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用類似重型德爾塔4火箭的芯級節(jié)流方案。因此目前主要的發(fā)射-回收模式將為助推級返回發(fā)射場，芯級著船。因為芯級節(jié)流，導(dǎo)致分離高度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有獵鷹9號火箭，返場運力損失很大，因此全部返場并不劃算；另一方面考慮到SpaceX公司在東海岸僅有一艘回收駁船，因此全部著船回收短期也不現(xiàn)實。其實拋開發(fā)動機(jī)并聯(lián)設(shè)計來看，獵鷹重型火箭的設(shè)計上與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的重型德爾塔4火箭存在諸多相似之處，尤其是這個標(biāo)志性的助推器正頭錐設(shè)計和芯級節(jié)流方案。更巧合的是這兩款火箭目前分列現(xiàn)役運載火箭運力一、二名，側(cè)面證明了通用芯級結(jié)構(gòu)火箭的生命力。

▲ 獵鷹重型和德爾塔4火箭對比圖，重型德爾塔4起飛40秒后就將節(jié)流至55%，直至助推器分離后才重新恢復(fù)滿推力

獵鷹重型首飛箭中的兩枚助推器都是用回收的獵鷹9號火箭一級改裝而來，也就是二手助推器。也是常說的“芯級變助推”思路，這樣芯級和助推器可以最大限度通用各種部件，從而縮減生產(chǎn)線，簡化設(shè)計，甚至降低成本。美國重型德爾塔4和俄羅斯的安加拉A5都采用這種設(shè)計思路。只不過這兩種火箭并不能回收，無法把回收芯級改成助推，而是在芯級基礎(chǔ)上“派生”助推，最大限度共用生產(chǎn)設(shè)備和零部件。除此之外也有一類運載火箭，采用通用化或是系列化的思路，也是意圖在各種構(gòu)型之間盡可能的共用一些模塊，減少生產(chǎn)線壓力。比如海射公司的“天頂”火箭其實就派生自蘇聯(lián)“能源”火箭的助推器，而我國長征五號安裝了兩臺YF-100的助推器也與長征七號的芯級有著千絲萬縷的聯(lián)系。

獵鷹重型火箭在回收狀態(tài)下的近地軌道運力為30噸（2017年國際宇航大會上發(fā)布的數(shù)據(jù)），依舊是現(xiàn)役最強(qiáng)火箭，這對目前甚囂塵上的“火箭回收有損運力”是一次有力的回?fù)簦簿褪钦f一款火箭在回收狀態(tài)下，依舊能以極低成本發(fā)射所有商業(yè)火箭所能發(fā)射的載荷，那么為什么不回收呢？