獵鷹重型火箭發射的通行證
——有關靜態點火那些事兒

文/ 田豐

▲ 1月25日獵鷹重型火箭靜態點火

要說2018年最受關注的航天大戲，估計就要數SpaceX公司旗下跳票數年的獵鷹重型火箭的首飛了。隨著2月7日的首飛成功，該火箭已經成為現役運力最強的運載火箭。該火箭構想最早出現于2004年，2011年首次正式曝光，從2013年開始年年都號稱要首飛，結果年年推遲，設計改了又改，首飛推了又推。即使首飛箭已經在發射場就位了，卻因美國兩黨掐架，政府關門這種“飛來橫禍”的影響而遲遲不能進行靜態點火測試。就在大家興致已經消磨殆盡的時候，SpaceX公司抓緊了政府臨時開門的短暫間隙，執行了獵鷹系列火箭在發射前必不可少的一項重要試驗——靜態點火。

▲ 獵鷹重型火箭的牽制釋放裝置和加注機構特寫

什么是靜態點火試驗

靜態點火（Static Fire）試驗，又稱系留點火試驗，是一種火箭發射前的預先點火試驗，用以驗證火箭的點火機構是否正常，各發動機推力是否平衡，箭體振動是否可控。打個比喻來講，如果說“長征五號”最終合練是相對于正式發射來說除了點火之外什么都做了，那么“獵鷹”的靜態點火可以說是除了拽住火箭沒讓飛之外什么都做了。眾所周知，SpaceX公司的3座發射臺都采用了牽制釋放裝置，這種裝置的作用是在火箭發動機達到穩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”。但事實不僅如此，這種裝置也是火箭能夠進行靜態點火的必要條件，因為點火后推重比一旦大于1火箭就會離開發射架，所以必須“拽”住火箭，才能順利執行靜態點火。目前世界現役的運載火箭中，除獵鷹系列外，只有軌道·ATK公司的安塔瑞斯火箭設置有靜態點火環節。

獵鷹重型火箭的靜態點火試驗原計劃持續12秒，主要驗證火箭的點火時序、振動情況和推力平衡情況。試驗后SpaceX公司根據收集的相關數據，進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置過靜態點火試驗，但在成熟后已經相繼取消了這一環節。雖然靜態點火已不再“流行”，但相對于實際發射而言，靜態點火確實能反映和發現一些原本需要實際升空才能出現的問題，如果能夠合理運用這項技術，甚至可以避免一些本不應該出現的載荷損失。

靜態點火“試”出火箭缺陷

2016年9月1日，SpaceX公司獵鷹9號火箭在攜帶SpaceCom的阿莫斯-6衛星進行靜態點火時，突然發生劇烈爆炸，損失慘重。之后SpaceX公司進行了長達4個多月的事故調查，整個過程撲朔迷離。

最終事故原因終于水落石出。為了極限壓榨獵鷹9號火箭性能，設計人員采用了比通常火箭所采用推進劑組合溫度更低但是密度更高的預冷液氧和預冷煤油，還有將碳纖維復合材料纏繞制成的氦氣加壓儲罐浸泡在預冷液氧中，最后還在氦氣加壓儲罐中加注接近氣-液兩相點的極低溫氦氣。然而就是這種壓榨性能的極端設計，導致了浸入碳纖維夾層中的液氧凝固，受擠壓后與碳纖維發生連鎖反應，最終引起爆炸，交了一筆極其昂貴的學費。但事實上這次事故本來是可以避免衛星損失的，因為為了防止靜態點火出現意外傷及載荷，正常流程一般是不帶有載荷的，而阿莫斯-6衛星事故時SpaceX公司為縮短發射準備時間，加之以往靜態點火中并未出現過危險，公司冒險進行了帶載點火，最終出現事故，導致星箭俱毀。此后，所有獵鷹9號火箭的靜態點火均不再攜帶載荷，以后即使再出現類似的點火爆炸事故，也能防止載荷受損。雖然這樣會延長發射準備時間，但是對載荷安全起到了一定的作用。

靜態點火保“獵鷹重型”首飛成功

北京時間1月25日凌晨1時30分，首飛前的獵鷹重型火箭進行了靜態點火試驗并獲得成功。

此次獵鷹重型火箭首射由于風險巨大，并無商業載荷，但依舊安排了靜態點火試驗，自然有其道理。靜態點火試驗作為SpaceX公司火箭發射前的最終確認試驗，一般安排于火箭正式發射之前數天。因此靜態點火的完成代表著這款推遲數年的27發并聯“怪物”終于獲得了通往最終發射的“綠燈”，事實也證明了經過靜態點火試驗的獵鷹重型火箭首秀是成功的。雖然火箭芯級因為回收工況過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。

▲ 馬斯克對攜帶載荷的火箭爆炸無可奈何

▲ 獵鷹9號火箭的承力結構

其實靜態點火的實施并不是只需要地面發射臺支持就可以，而是從火箭設計時就需予以考慮。牽制釋放裝置與火箭連接上的吊耳連接后，在靜態點火過程中27臺發動機相繼點火迅速到達全推力，這時火箭即使減去起飛質量依舊有700噸的凈推力，這都需要通過火箭底部的吊耳傳遞到牽制釋放裝置上。由于液體火箭本質是一個巨大的薄壁筒體，其實只有部分主承力結構才能充分受力，就像易拉罐只有頂部和底部才耐壓是一個道理。獵鷹9號火箭的承力結構被稱之為“八角網”（Octaweb），該結構包覆了和承載了火箭一級的所有9臺發動機，中間通過隔板間隔開，承力吊耳也設置在該結構上。由于獵鷹重型火箭是三芯并聯，所以牽制釋放裝置和加注結構也相應增加，另外由于獵鷹重型火箭的兩枚助推器要與芯級可靠并聯，并傳遞推力，而在助推器工作結束后，助推器和芯級還要通過冷分離機構迅速分離，因此助推器在翻修過程中增設了連接機構，芯級的“八角網”承力結構更是經過了特殊設計和結構補強。

▲ 改造中的發射臺

▲ 吊耳特寫

▲ 改造后的發射臺

獵鷹重型火箭的助推器分離和一二級分離均采用了“冷分離”機構，這是相對于火工品（炸藥）熱分離而言。一直以來業界普遍認為火工品分離機構成本低、結構簡單、工作可靠，所以廣泛應用在包括我國長征系列在內的多種運載火箭上。但是獵鷹系列火箭由于要回收，所以一直采用無損的冷分離模式（冷氮噴射，機械式推桿等），目前“獵鷹9號”已執行近50次發射，從未出現過分離機構失效導致的事故，實際可靠性100%。而這次獵鷹重型火箭首射中助推器冷分離機構（側向分離）的成功，對于未來運載火箭分離結構的設計有著相當大的借鑒意義。