鷹擊長空：探秘“獵鷹重型”運載火箭

楊俊峰

2018年2月6日下午3點45分（美國東部時間），美國太空探索技術公司（SpaceX）研制的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運載火箭成功進行了首次發射試驗，將一輛同為該公司研制的特斯拉電動汽車送入火星轉移軌道。這次發射成功的消息一夜之間刷爆“朋友圈”，世界各國媒體都毫不吝嗇贊美之辭。這究竟是為什么呢？

“拼湊”出的現役 載荷能力最強

“獵鷹重型”運載火箭，近地軌道有效載荷（LEO）為63.8噸，這項數據僅次于美蘇太空爭霸時代研制的“土星五號”和“能源號”運載火箭。在全球現役火箭中，“獵鷹重型”的載荷能力是當之無愧的NO.1。

“獵鷹重型”運載火箭是如何實現如此強大的載荷指標的呢？這與其非常獨特的總體設計有關。“獵鷹重型”的第一級（又稱“起飛級”），是一種由3枚“獵鷹9號”運載火箭的第一級橫向并聯而組成的“側芯級-中間芯級-側芯級”布局。通俗地講，就是把3枚“獵鷹9號”捆綁在一起，這使“獵鷹重型”的起飛推力和有效載荷重量是“獵鷹9號”的幾乎三倍。

1+1+1=3，看起來很簡單，但在工程實踐中卻困難重重。首先，將3枚“獵鷹9號”的第一級捆綁并聯，除了要安裝結實的連接機構，還得設計全新的側向冷分離系統。其次，3個芯級并聯飛行時，必須充分考慮推力分配控制、共振特性等難題。最重要的是，1枚“獵鷹9號”的第一級安裝了9臺“梅林-1D”液氧-煤油火箭發動機，3個芯級并聯就是27臺發動機，如何保證這么多發動機同時正常工作，是一項前所未有的巨大挑戰。

在“獵鷹重型”之前，只有蘇聯為登月計劃準備的N-1超重型運載火箭的第一級采用了30臺發動機并聯布局，結果5次試射全部失敗。這其實是一個很簡單的概率問題：假如單臺發動機故障概率是1%，那么10臺發動機同時工作時出現故障的概率就是9.56%，整體可靠性明顯降低。再加上多發并聯會帶來更加復雜的耦合振動等一系列問題，航天界一直都將運載火箭第一級并聯多于10臺發動機的思路視為忌諱。

如果說當年蘇聯因為無力研制新型大推力火箭發動機，不得不劍走偏鋒嘗試“推力不夠數量湊”，那么“獵鷹重型”為何要冒同樣風險選擇27臺發動機并聯布局？原因有兩個：一是SpaceX手上同樣缺乏更大推力的發動機型號;二是如此設計可以充分利用“獵鷹9號”的現成技術，大幅降低成本和難度。“梅林-1D”火箭發動機雖然推力不大，但得益于結構簡單可靠，單發故障率很低，因而有效保證了多發并聯的可靠性。另外，“梅林-1D”的推力可大范圍調節，加上如今計算機控制技術突飛猛進，即使“獵鷹重型”點火后有1臺發動機完全罷工，也能依靠其他發動機實時增補推力保持總推力平衡（即“多冗余度技術”）。諸多先進技術，使得27臺發動機并聯的“獵鷹重型”的可靠性風險被控制在可接受的水平。

前所未有：多枚火箭同時回收

通過這些艱難的努力，“獵鷹重型”最終成功實現了首發。但是，“獵鷹重型”最值得稱道之處，并非“現役火箭中載荷能力最強”這個頭銜，而是它在航天領域率先成功應用的火箭垂直降落回收技術。這次“獵鷹重型”發射成功，進一步證明了該技術完全可行，未來將能夠應用到各種重型運載火箭的設計和使用中，以顯著降低發射成本。

眾所周知，SpaceX研制的 “獵鷹9號”是目前世界上唯一實現第一級整體回收并重復使用的運載火箭。整個回收程序較為復雜，共有3次點火：①在一、二級冷分離后（高度超過100千米，速度超過1500米/秒），點燃9臺發動機中的1臺進行“減速回推”，打開頂部的4個格柵翼;②進入大氣層后（高度低于60千米，速度低于800米/秒），點燃3臺發動機進行“再入推進”，開始利用4個格柵翼調整姿態;③接近地面時（高度低于10千米，速度低于200米/秒），打開4條著陸支撐腿，點燃1臺發動機進行“著陸推進”，利用略低于火箭重量的反向推力，最終讓火箭在接地瞬間速度降為零，實現垂直軟著陸。

“獵鷹9號”可回收的第一級高度超過14層樓，重達數十噸，最大速度超過1500米/秒，預定的降落回收區域僅幾十米寬。這好比“在狂風中讓橡膠掃帚直立于手掌上”，對飛行姿態的控制精度要求極高。目前，“獵鷹9號”已經成功進行了超過10次的回收作業。考慮到“獵鷹重型”的并聯構型，其回收過程可以看作是3枚“獵鷹9號”同時進行回收作業，總體技術難度沒有本質區別，只是對組織協調能力的要求更高。

無論如何，“獵鷹重型”首次嘗試的3枚芯級火箭同時回收降落，還是有史以來的第一次。在火箭一、二級分離后，兩個側芯級成功地同時垂直降落到陸地著陸場。而中間芯級因燃料不足，用于減速的3臺發動機中僅剩1臺正常工作，以約480千米/時的速度墜落到距離海上著陸場約100米的大海中。即便如此，兩個側芯級火箭同時成功降落到同一地點的畫面，依然是科幻般的壯觀場景，令世界各地的航天愛好者心潮澎湃。

盛譽之下仍需努力

追求運載火箭等航天器的可重復使用能力，是為了盡可能降低航天發射任務的資源成本，提高任務效率。目前主流的運載火箭和載人飛船，例如美國“土星五號”運載火箭與“阿波羅”飛船、俄羅斯“聯盟”系列運載火箭與飛船、中國“長征-2F”運載火箭與“神舟”飛船等，都是一次性使用的，火箭燃料耗盡后直接墜落燒毀，飛船返航后也隨即報廢，這就導致任務成本很難降下來。近地載人飛行任務還好說，諸如重返月球、登陸火星等耗資巨大的深空探測任務，幾乎無法采用這種模式，因為成本實在太高昂了，即便是財力雄厚的美國也無力再來一次“阿波羅”計劃。

而“獵鷹重型”全箭共28臺發動機，除了第二級（又稱“上面級”）的那一臺“梅林-1D”發動機不回收，第一級的27臺全部設計為可回收重復使用，設計復用率高達27/28，很接近完全重復使用了。這次發射的“獵鷹重型”的3個芯級中，除了中間芯級是全新制造的，兩個側芯級都是由先前發射任務完成后回收的“獵鷹9號”一級改裝而來。換言之，“獵鷹重型”這個全新型號的首飛火箭，其實是個充分利用“回收品”改造出來的“半二手”火箭，聽起來是不是很不可思議？

除了超高的組件重復使用率，“獵鷹重型”從頭到尾只使用單一型號發動機，資源得以高度集中，便于大規模、高效率批量生產，零部件通用率很高，進一步降低了制造和維護成本。種種措施，使未來“獵鷹重型”將2噸載荷送入地球同步軌道的成本只需要不到1億美元，是其他重型運載火箭的五分之一。

然而“成也蕭何敗也蕭何”，正如SpaceX公司負責人馬斯克自己所言，“獵鷹重型”最大的問題同樣來自動力系統。現在采用的3枚“獵鷹9號”多發并聯布局雖然實現了低成本和高載荷，但芯級直徑只有3.66米，嚴重限制了所搭載的載荷尺寸，導致實用價值大打折扣。對比之下，盡管中國“長征五號”運載火箭的有效載荷為25噸，但是“長征五號”的芯級直徑為5米，更適合發射空間站核心艙、資源衛星等體積較大的載荷。“獵鷹重型”如果要增大芯級直徑，則必須采用全新的大推力發動機;但這勢必又會大幅抬高造價，喪失低成本這個核心優勢。要徹底解決這個矛盾，還有很長的路要走。

運載火箭本質上是一種高成本、低效率的交通運輸工具。盡管商業化背景的“獵鷹重型”還存在不少先天缺點，可靠性和實用性還需要進一步驗證，但SpaceX讓人們第一次如此清晰地看到了降低航天發射資源門檻的希望，這無疑將大大加快人類探索和利用太空的腳步。這就是它令全世界矚目的根本原因。