獵鷹重型火箭發(fā)射的通行證
——有關(guān)靜態(tài)點(diǎn)火那些事兒

文/ 田豐

▲ 1月25日獵鷹重型火箭靜態(tài)點(diǎn)火

要說(shuō)2018年最受關(guān)注的航天大戲，估計(jì)就要數(shù)SpaceX公司旗下跳票數(shù)年的獵鷹重型火箭的首飛了。隨著2月7日的首飛成功，該火箭已經(jīng)成為現(xiàn)役運(yùn)力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭。該火箭構(gòu)想最早出現(xiàn)于2004年，2011年首次正式曝光，從2013年開(kāi)始年年都號(hào)稱(chēng)要首飛，結(jié)果年年推遲，設(shè)計(jì)改了又改，首飛推了又推。即使首飛箭已經(jīng)在發(fā)射場(chǎng)就位了，卻因美國(guó)兩黨掐架，政府關(guān)門(mén)這種“飛來(lái)橫禍”的影響而遲遲不能進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試。就在大家興致已經(jīng)消磨殆盡的時(shí)候，SpaceX公司抓緊了政府臨時(shí)開(kāi)門(mén)的短暫間隙，執(zhí)行了獵鷹系列火箭在發(fā)射前必不可少的一項(xiàng)重要試驗(yàn)——靜態(tài)點(diǎn)火。

▲ 獵鷹重型火箭的牽制釋放裝置和加注機(jī)構(gòu)特寫(xiě)

什么是靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)

靜態(tài)點(diǎn)火（Static Fire）試驗(yàn)，又稱(chēng)系留點(diǎn)火試驗(yàn)，是一種火箭發(fā)射前的預(yù)先點(diǎn)火試驗(yàn)，用以驗(yàn)證火箭的點(diǎn)火機(jī)構(gòu)是否正常，各發(fā)動(dòng)機(jī)推力是否平衡，箭體振動(dòng)是否可控。打個(gè)比喻來(lái)講，如果說(shuō)“長(zhǎng)征五號(hào)”最終合練是相對(duì)于正式發(fā)射來(lái)說(shuō)除了點(diǎn)火之外什么都做了，那么“獵鷹”的靜態(tài)點(diǎn)火可以說(shuō)是除了拽住火箭沒(méi)讓飛之外什么都做了。眾所周知，SpaceX公司的3座發(fā)射臺(tái)都采用了牽制釋放裝置，這種裝置的作用是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定而平衡的推力水平前阻止火箭起飛，防止火箭因推力不平衡而“飛偏了”。但事實(shí)不僅如此，這種裝置也是火箭能夠進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火的必要條件，因?yàn)辄c(diǎn)火后推重比一旦大于1火箭就會(huì)離開(kāi)發(fā)射架，所以必須“拽”住火箭，才能順利執(zhí)行靜態(tài)點(diǎn)火。目前世界現(xiàn)役的運(yùn)載火箭中，除獵鷹系列外，只有軌道·ATK公司的安塔瑞斯火箭設(shè)置有靜態(tài)點(diǎn)火環(huán)節(jié)。

獵鷹重型火箭的靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)原計(jì)劃持續(xù)12秒，主要驗(yàn)證火箭的點(diǎn)火時(shí)序、振動(dòng)情況和推力平衡情況。試驗(yàn)后SpaceX公司根據(jù)收集的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析后表示火箭工作正常，為最終的成功首飛鋪平了道路。部分火箭早期也曾設(shè)置過(guò)靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)，但在成熟后已經(jīng)相繼取消了這一環(huán)節(jié)。雖然靜態(tài)點(diǎn)火已不再“流行”，但相對(duì)于實(shí)際發(fā)射而言，靜態(tài)點(diǎn)火確實(shí)能反映和發(fā)現(xiàn)一些原本需要實(shí)際升空才能出現(xiàn)的問(wèn)題，如果能夠合理運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，甚至可以避免一些本不應(yīng)該出現(xiàn)的載荷損失。

靜態(tài)點(diǎn)火“試”出火箭缺陷

2016年9月1日，SpaceX公司獵鷹9號(hào)火箭在攜帶SpaceCom的阿莫斯-6衛(wèi)星進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火時(shí)，突然發(fā)生劇烈爆炸，損失慘重。之后SpaceX公司進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)4個(gè)多月的事故調(diào)查，整個(gè)過(guò)程撲朔迷離。

最終事故原因終于水落石出。為了極限壓榨獵鷹9號(hào)火箭性能，設(shè)計(jì)人員采用了比通?；鸺捎猛七M(jìn)劑組合溫度更低但是密度更高的預(yù)冷液氧和預(yù)冷煤油，還有將碳纖維復(fù)合材料纏繞制成的氦氣加壓儲(chǔ)罐浸泡在預(yù)冷液氧中，最后還在氦氣加壓儲(chǔ)罐中加注接近氣-液兩相點(diǎn)的極低溫氦氣。然而就是這種壓榨性能的極端設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了浸入碳纖維夾層中的液氧凝固，受擠壓后與碳纖維發(fā)生連鎖反應(yīng)，最終引起爆炸，交了一筆極其昂貴的學(xué)費(fèi)。但事實(shí)上這次事故本來(lái)是可以避免衛(wèi)星損失的，因?yàn)闉榱朔乐轨o態(tài)點(diǎn)火出現(xiàn)意外傷及載荷，正常流程一般是不帶有載荷的，而阿莫斯-6衛(wèi)星事故時(shí)SpaceX公司為縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，加之以往靜態(tài)點(diǎn)火中并未出現(xiàn)過(guò)危險(xiǎn)，公司冒險(xiǎn)進(jìn)行了帶載點(diǎn)火，最終出現(xiàn)事故，導(dǎo)致星箭俱毀。此后，所有獵鷹9號(hào)火箭的靜態(tài)點(diǎn)火均不再攜帶載荷，以后即使再出現(xiàn)類(lèi)似的點(diǎn)火爆炸事故，也能防止載荷受損。雖然這樣會(huì)延長(zhǎng)發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，但是對(duì)載荷安全起到了一定的作用。

靜態(tài)點(diǎn)火保“獵鷹重型”首飛成功

北京時(shí)間1月25日凌晨1時(shí)30分，首飛前的獵鷹重型火箭進(jìn)行了靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)并獲得成功。

此次獵鷹重型火箭首射由于風(fēng)險(xiǎn)巨大，并無(wú)商業(yè)載荷，但依舊安排了靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)，自然有其道理。靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)作為SpaceX公司火箭發(fā)射前的最終確認(rèn)試驗(yàn)，一般安排于火箭正式發(fā)射之前數(shù)天。因此靜態(tài)點(diǎn)火的完成代表著這款推遲數(shù)年的27發(fā)并聯(lián)“怪物”終于獲得了通往最終發(fā)射的“綠燈”，事實(shí)也證明了經(jīng)過(guò)靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)的獵鷹重型火箭首秀是成功的。雖然火箭芯級(jí)因?yàn)榛厥展r過(guò)于惡劣未能回收成功，但這次首射成功依舊使SpaceX公司名聲大噪。

▲ 馬斯克對(duì)攜帶載荷的火箭爆炸無(wú)可奈何

▲ 獵鷹9號(hào)火箭的承力結(jié)構(gòu)

其實(shí)靜態(tài)點(diǎn)火的實(shí)施并不是只需要地面發(fā)射臺(tái)支持就可以，而是從火箭設(shè)計(jì)時(shí)就需予以考慮。牽制釋放裝置與火箭連接上的吊耳連接后，在靜態(tài)點(diǎn)火過(guò)程中27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)相繼點(diǎn)火迅速到達(dá)全推力，這時(shí)火箭即使減去起飛質(zhì)量依舊有700噸的凈推力，這都需要通過(guò)火箭底部的吊耳傳遞到牽制釋放裝置上。由于液體火箭本質(zhì)是一個(gè)巨大的薄壁筒體，其實(shí)只有部分主承力結(jié)構(gòu)才能充分受力，就像易拉罐只有頂部和底部才耐壓是一個(gè)道理。獵鷹9號(hào)火箭的承力結(jié)構(gòu)被稱(chēng)之為“八角網(wǎng)”（Octaweb），該結(jié)構(gòu)包覆了和承載了火箭一級(jí)的所有9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，中間通過(guò)隔板間隔開(kāi)，承力吊耳也設(shè)置在該結(jié)構(gòu)上。由于獵鷹重型火箭是三芯并聯(lián)，所以牽制釋放裝置和加注結(jié)構(gòu)也相應(yīng)增加，另外由于獵鷹重型火箭的兩枚助推器要與芯級(jí)可靠并聯(lián)，并傳遞推力，而在助推器工作結(jié)束后，助推器和芯級(jí)還要通過(guò)冷分離機(jī)構(gòu)迅速分離，因此助推器在翻修過(guò)程中增設(shè)了連接機(jī)構(gòu)，芯級(jí)的“八角網(wǎng)”承力結(jié)構(gòu)更是經(jīng)過(guò)了特殊設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

▲ 改造中的發(fā)射臺(tái)

▲ 吊耳特寫(xiě)

▲ 改造后的發(fā)射臺(tái)

獵鷹重型火箭的助推器分離和一二級(jí)分離均采用了“冷分離”機(jī)構(gòu)，這是相對(duì)于火工品（炸藥）熱分離而言。一直以來(lái)業(yè)界普遍認(rèn)為火工品分離機(jī)構(gòu)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，所以廣泛應(yīng)用在包括我國(guó)長(zhǎng)征系列在內(nèi)的多種運(yùn)載火箭上。但是獵鷹系列火箭由于要回收，所以一直采用無(wú)損的冷分離模式（冷氮噴射，機(jī)械式推桿等），目前“獵鷹9號(hào)”已執(zhí)行近50次發(fā)射，從未出現(xiàn)過(guò)分離機(jī)構(gòu)失效導(dǎo)致的事故，實(shí)際可靠性100%。而這次獵鷹重型火箭首射中助推器冷分離機(jī)構(gòu)（側(cè)向分離）的成功，對(duì)于未來(lái)運(yùn)載火箭分離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著相當(dāng)大的借鑒意義。