獵鷹9火箭Block5構型首次飛行任務解析

牟 宇，孫冀偉，秦旭東

（1．北京宇航系統工程研究所，北京100076 2．中國運載火箭技術研究院，北京100076）

0 引言

2018年5月11日15時14分［1］（北京時間5月12日4時14分），美國太空探索技術公司 （SpaceX）在肯尼迪航天中心的LC－39A發射工位，利用獵鷹9 Block5構型火箭成功完成了孟加拉國Bangabandhu－1通信衛星的發射任務 （圖1），并再次成功完成了芯一級模塊的海上回收。此次任務是獵鷹9Block5構型火箭的首次飛行任務，對后續更加快速地重復使用和執行國際空間站載人任務意義重大。本文通過對SpaceX公司的獵鷹9Block5構型火箭改進項目進行分析，并通過獵鷹9火箭從首飛到目前的技術狀態更迭優化歷程的梳理，分析其對世界航天發展趨勢產生的影響。

圖1 獵鷹9Block5構型首次發射現場Fig．1 The live view of Falcon 9Block5 ′s maiden flight

1 發射任務情況簡介

本次發射任務原定于5月10日發射，但在前一天的發射準備過程中，倒計時進行到距離起飛僅58s時自動中止，SpaceX確認出現了一次標準的地面系統自動中止，但未給出觸發中止的具體原因。本次發射的孟加拉國Bangabandhu－1通信衛星質量約3．5t，由法國泰雷茲阿萊尼亞宇航公司制造，原定采用阿里安5火箭進行發射，由于其發射計劃無法滿足孟加拉國部署要求，從而轉由SpaceX的獵鷹9火箭發射并最終完成了衛星的發射與部署。

2 獵鷹9Block5構型總體方案

獵鷹9Block5構型火箭是SpaceX公司獵鷹9火箭的最新升級構型，也將是SpaceX公司在開展其超重型火箭BFR研制之前將固化技術狀態的火箭，并最終實現其LEO軌道22．8t，GTO軌道8．3t的極限運載能力 （不重復使用）［2］。此構型火箭通過改進，力圖實現不經歷較大維護的情況下重復使用至少10次，加上后期維修達到100次的目標，并為后續執行NASA載人發射合同的火箭積累飛行子樣［3］。

2．1 全面升級動力系統

在獵鷹9V1．2構型全推力版本隼－1D發動機的基礎上，獵鷹9Block5再次提升發動機海平面推力至913．5kN，提升約6．97%；二級發動機真空推力達到945kN，真空發動機推重比達到180∶1，居世界主流發動機之首，如圖2所示。在發現前期回收后的火箭在渦輪泵葉片上有裂紋后，重新設計其發動機的渦輪泵，確保其重復使用的性能滿足要求。

圖2 改進后的隼－1D發動機Fig．2 The upgraded Merlin 1Dengine

2．2 改進箭體結構，以便重復使用

為了確保能夠將一子級重復使用箭體更快地進行再次發射，獵鷹9Block5對前期重復使用的發動機機架、柵格舵、著陸支腿等結構進行了優化設計，并更新了級間段和尾段的熱防護材料，如圖3所示。

圖3 改進前、后的發動機機架Fig．3 The original／upgraded engine frame

之前稱之為Octaweb（環形排列）的一級發動機機架結構是通過巨大的高強度鋁合金框架連接到一起后，再焊接到一級箭體上的，一旦單臺或者多臺發動機出現故障，或者鋁合金框架出現不可逆的形變，整個一級火箭就會因維修成本過高而整體報廢；Block5型的連接盤不再焊死在箭體上，而是用螺栓連接，一旦發現問題，可整體拆卸，更換連接盤，這樣整枚一級火箭還可以再次使用。此外，為了能夠實現重復使用10次的目標，9臺發動機之間的防熱裝置也改為可拆卸式設計。

一子級回收過程中，柵格舵將承受較大的羽流沖刷及大熱流環境，將柵格舵由鋁合金＋防熱涂層方案更改為更耐熱、剛度與強度更好的鈦合金方案，不更換也能滿足多次重復使用要求，見圖4。將前期設計的回收后必須拆除重新安裝復位的一級著陸支腿外部閉鎖機構，改為在一級箭體結構內部一個主作動器帶動8個小機構聯動完成，實現自如伸縮，以快速完成維護進行再次發射。

此次一級箭體結構外觀最顯著的變化是級間段和尾段由原來的白色變成了黑色，主要是將火箭黑色級間段、電纜長排罩和著陸支腿采用了自行研制的重復使用性能更高、無須噴涂的新型防熱材料，外觀變化可見圖5。

圖4 改進前、后的柵格舵對比Fig．4 The comparison of the original／upgraded grid fin

圖5 更新后的火箭箭體結構外觀Fig．5 The appearance of the upgraded rocket structure

2．3 其他優化項目

為更大程度地提升火箭的運載能力，SpaceX公司優化了一子級重復使用前的控制律算法，使得其返回過程中所需推進劑量進一步減少；而針對在CRS－7任務和Amos－6任務故障中均出現的二級復合材料增壓氣瓶 （COPVs）的材料問題，結合重復使用需求對其進行了重新設計。

3 獵鷹9火箭構型衍化路線

獵鷹9火箭是SpaceX公司研發的一款低成本、兩級構型全液體中型運載火箭，其設計目標是：研制出一種對抗聯合發射聯盟 （ULA）改進型一次性運載火箭 （EELV）的新型火箭，同時顯著增加可靠性、降低成本，提升快速響應能力［4］。獵鷹9火箭主要執行近地軌道空間站貨運／載人、高軌通信商業衛星、太陽同步軌道偵察衛星等多種載荷發射任務。自2010年首飛成功之后，截至2018年5月11日，共進行了54次發射，除在2015年6月28日執行CRS－7任務時失利以外，其余發射任務均取得成功［5］。

其中獵鷹9Block5構型火箭是獵鷹9系列火箭不斷優化設計的最新構型，在此之前經歷了兩次較為重要的構型優化。前后幾個構型火箭的性能參數可見表1，更迭示意圖見圖6。

表1 獵鷹9火箭構型性能對比Tab．1 The comparison of the Falcon 9blocks ′performance

圖6 獵鷹9火箭構型更迭示意圖［2］Fig．6 The sketch map of the Falcon 9upgrade［2］

3．1 獵鷹9V1．0構型

獵鷹9V1．0構型是獵鷹9火箭的最初始構型，其首飛時間為2010年6月4日，創造了私營航天公司為國際空間站運送貨物的歷史，共進行了5次飛行試驗任務，前3次飛行試驗均為滿足NASA要求的演示飛行，后2次為正式的國際空間站貨物補給任務 （CRS任務）。獵鷹9V1．0構型一子級采用9臺隼－1C發動機，單臺隼－1C發動機的海平面推力為420kN。二子級采用1臺隼真空發動機，其90%以上的組件都與隼－1C相同。為降低生產成本，火箭一、二級的推進劑貯箱只是長度有所不同，而在工裝、材料和制造工藝上都完全相同［6］，如圖7所示。

即使是如此早期的版本，SpaceX都從設計上考慮了 “重復使用”這個概念。獵鷹9V1．0構型中一子級擬采用傘降模式回收，讓一級箭體利用降落傘緩慢落入水中，但在飛行試驗中均驗證失敗，因為箭體和降落傘在再入大氣的時候損壞，最后回收船只回收到了一級火箭的部分碎片。

圖7 獵鷹9V1．0構型火箭Fig．7 The Falcon 9V1．0rocket

3．2 獵鷹9V1．1構型

在使用獵鷹9V1．0構型火箭滿足了NASA的合同需求后，SpaceX公司升級了獵鷹9火箭，設計了獵鷹9V1．1構型，進行了15次發射任務 （成功14次）。改進的主要目的是重復使用一子級，提升了80%的運載能力以抵消由于重復使用帶來的運載能力損失，對一子級重復使用進行了技術方案的升級。

1）發動機從隼－1C變為隼－1D，包括發動機推力、比沖、推重比等性能有了明顯提升 （海平面推力從43t提升至63．5t，每臺發動機減重450kg），一級發動機可節流70%，用節流方式取代原來分離前關閉部分發動機的方式，控制飛行過載；提升發動機的可靠性和批生產能力，包括使用同一種類型閥門替換原兩個燃料、氧化劑閥門，提升發動機燃燒室、噴嘴的熱環境極限條件，改進了燃燒室制造工藝，增設發動機之間耐熱防護裝置，防止發動機爆炸時波及其他發動機。

2）為了提升火箭運載能力，增加推進劑加注量，延長了火箭一級、二級貯箱長度，火箭高度相應增加至68．4m。

3）一級底部發動機從3×3排列變為環形排列，使得一級尾部不需再配套擴張段，為后續芯級捆綁芯級的重型獵鷹火箭BFR使用重復使用模塊奠定基礎，與此同時也簡化了發動機故障情況下的重構算法。

4）首次使用5．2m／5．18m直徑整流罩；升級火箭控制系統，引入三冗余飛控計算機，基于龍飛船已飛行驗證單元設計新軟件；簡化一、二級連接 （從9個硬件接口、3個用于分離的推桿部件變為3個包含推桿的連接器）。

針對重復使用需求，V1．1火箭一子級進行了全面的技術改造和升級，主要包括：

1）發動機具備空中再次點火與節流能力，包括一子級3臺發動機再入點火與單臺發動機著陸點火［8］；

2）首次加入閉環液壓系統驅動的柵格舵以控制一級再入大氣和下降過程 （圖8）；

3）安裝著陸支架，嘗試在陸上和海上平臺垂直回收箭體 （圖8）。

圖8 獵鷹9V1．1構型火箭增加的柵格舵和著陸支架Fig．8 The added grid fins and landing legs of the Falcon 9V1．1rocket

3．3 獵鷹9V1．2構型

2015年6月28日，SpaceX公司使用獵鷹9 V1．1火箭執行國際空間站CRS－7任務，一級飛行段由于二級液氧貯箱內氣瓶支架斷裂造成箭體破壞最終造成飛行失利［7］。SpaceX公司在故障調查定位后，重新優化并完成了獵鷹9V1．2火箭研制，2015年12月21日其第一次飛行任務中一子級陸上回收首次成功，取得了人類航天史上具有里程碑意義的成就。

在獵鷹9V1．1構型的基礎上，獵鷹9V1．2主要有以下方面的改進 （圖9）：

1）二子級火箭 （包括級間段）長度增加了1．5m，使得全箭高度達到約70m，起飛規模提升約50t，其基礎級發動機推力提升約920．7kN，使其起飛推重比仍然維持在較優的水平；

2）一級隼－1D發動機海平面推力增加102．3kN，達到756．2kN，為適應更大推力，加強了機架結構；

3）二級隼－1D真空發動機噴管延長，最高推力達到934．1kN；對連接火箭一子級和二子級的級間段進行加長和結構增強，以適應發動機延長的噴管；

圖9 獵鷹9V1．2火箭改進示意圖Fig．9 The sketch map of the Falcon 9V1．2rocket upgrade

4）火箭氧化劑和燃料進行過冷加注，液氧溫度約為－207℃，煤油溫度約為－7℃，其中加注了超過2／3的超冷液氧，使得推進劑的密度提高了約4%，從而增大推進劑加注質量，提升發動機性能；

5）在保持一子級長度的同時，結合推進劑溫度調整情況調整一子級氧化劑和燃燒劑的貯箱長度；

6）對用于一子級箭體回收使用的柵格舵和著陸支腿結構進行了適應性改進。

經過以上改進工作，火箭運載能力提升約33%，一子級箭體在飛行結束后依然有足夠的剩余推進劑，為后續進行陸上垂直回收提供足夠的運載能力余量。

4 首飛成功的影響分析與啟示

4．1 持續創新是提升市場競爭力的源泉

SpaceX公司獵鷹9火箭憑借其優異的性能和突出的成本優勢，市場競爭力持續提升，根本原因在于其持續創新的技術理念 （獵鷹9火箭技術發展路線見圖10）。隼1發動機在繼承阿波羅登月飛船發動機的基礎上經過了多次改進，使其推重比達到了世界第一，動力故障監測與冗余技術、箭體可控垂直回收技術也在搭載試驗過程中得到了長足進步，其火箭構型通過采用創新技術的同時，性能和成本得到持續提升，為最終提升市場競爭力奠定了基礎。

圖10 獵鷹9火箭技術發展路線Fig．10 The Technical improvement path of Falcon 9

以上分析說明，在商業航天市場必須緊緊圍繞創新驅動發展戰略：一方面要大膽采用兼具創新型和成本優勢的解決方案，另一方面，要大膽試驗，允許失敗。通過必要的地面試驗及搭載飛行試驗進行驗證，通過設計、生產、測試試驗的快速反復迭代，逐步掌握先進的運載支撐技術，使得火箭的性能能夠全面提升，成本能夠得到有效控制，并最終在商業航天市場獲得較強市場競爭力。

4．2 持續降低成本是提升市場競爭力的另一利器

美國聯邦航空管理局 （FAA）預計未來10年全球商業發射總次數為412次。SpaceX公司利用低成本這一重要優勢，自2008年起強勢爭奪商業發射訂單，以低成本、可重復使用逐漸建立競爭優勢，這也迫使世界各國在商業發射領域著力壓縮火箭成本，提升競爭力。就連2018年2月6日首飛成功的獵鷹重型火箭也已經簽訂了4份合同［9］，一旦獵鷹重型火箭驗證了其可靠性并且最終投入使用，將加劇美國國內火箭市場和國際市場的競爭。獵鷹火箭之所以能夠對美國宇宙神5、德爾它4火箭以及國際上其他商業火箭造成很大的沖擊，其成本優勢是一個重要原因。

SpaceX公司于2016年5月初公布了獵鷹系列火箭的最新發射價格，獵鷹9V1．2的發射價格為6200萬美元，獵鷹重型火箭的發射價格為9000萬美元。最近馬斯克在Block5構型首飛前表示，Block5構型的報價仍然維持在6200萬，重復使用箭體后的報價為5000萬左右。如果Block5對應的一子級能夠實現預期10次以上的重復使用，并有效控制檢修費用，該型火箭的實際成本可以進一步降低，相對現役其他火箭的優勢將進一步擴大。

獵鷹9火箭和阿里安5、質子號等現役和在研主要商業運載火箭的發射價格對比如表2所示，表中發射價格特指商業載荷 （主要指GEO通信衛星）的發射價格。

表2 主要商業運載火箭發射價格對比Tab．2 The comparison of the main commercial launch vehicles ′launch service price

然而對于完全市場化的商業發射市場，其發射價格更多地體現市場競爭力，SpaceX公司通過采用較小的公司規模、垂直整合的運行模式和采用重復使用技術，使得其發射成本相比傳統航天巨頭有較大優勢；但由于其在重復使用等技術研發中投入巨大 （據馬斯克和肖特維爾透露研發耗資約10億美元），需要通過發射服務費用抵消相應研發費用，因此其重復使用火箭發射報價并未完全降低至前期承諾的發射服務費用60%～70%，盡管如此，依然具備足夠的市場競爭力。在最新的國際空間站貨運補給合同中，SpaceX公司每千克發射費用上漲了50%，使得2020—2024年的合同將比第一輪增加4億美元，但貨運次數比第一輪少了6次，而原因更多的是SpaceX公司認為其第一輪的出價過低或者它在補給任務中已完成部分節省費用的目標。

在政府強力支持和自身采用創新技術的共同推進下，SpaceX公司的發射服務報價極具競爭力，但其價格還遠未到達到其前期承諾的那么低廉，完全的商業化競爭下也隱藏著美國太空航天政策的引導與支撐，這一點需要引起整個航天發射領域企業的重視。只有通過采用創新技術、高度的產業整合、更加密切的合作，才能實現整體市場份額的增加和市場競爭力的持續提升。

4．3 整個商業航天的發展得益于清晰的政策指導

SpaceX公司的異軍突起正是得益于美國國家航天政策的調整。進入21世紀以來，NASA在獲取國會經費支持越來越有限的情況下，提出通過政策支持和鼓勵私營商業航天公司開展近地軌道運輸任務，并通過大量試驗設施及技術支持，使得以SpaceX公司為代表的私營商業航天公司發展迅速，成為了航天發射市場的有力 “攪局者”，使整個行業發生了積極的連鎖反應，世界各國的火箭研制承包商均在采取各種途徑降低產品成本，提升市場競爭力。

SpaceX公司獵鷹9火箭對美國傳統發射領域的主要執行者——聯合發射聯盟 （ULA）造成了巨大沖擊。特別是近期，SpaceX公司甚至進入了ULA賴以生存的軍事發射市場，開始承接諸如GPS－3衛星、X－37B軌道飛行器等利潤巨大的發射任務。ULA在新火箭研發過程中必須審視自身不足，提出具有市場競爭力的產品方案。

ULA正在研制的火神火箭，將取代德爾塔4和宇宙神5兩型火箭，通過構型的精簡、產品性能的提升，增強市場競爭力。火神火箭通過采用模塊化設計，借鑒SpaceX公司的垂直整合思路和關鍵產品復用技術開發，實現研制與發射成本的持續降低。為實現部分可重復使用技術，ULA提出了敏感模塊自主返回技術 （SMART），計劃回收火箭芯一級的兩臺發動機，其單發火箭報價為1億美元，預計2020年首飛［10］。

歐洲阿里安航天公司研發的阿里安6火箭，通過采取低成本措施等手段積極應對SpaceX公司的競爭，將兩種構型發射價格直接降低至7500萬歐元和9000萬歐元，發射單價甚至低于目前的獵鷹9火箭報價，近期還提出了基于垂直起降回收的阿里安6NEXT火箭。阿里安6的方案受到了獵鷹9火箭垂直回收技術影響，火箭基于7臺普羅米修斯發動機并聯的芯一級、一臺普羅米修斯發動機的二級以及P120C固體級組合而成。

日本的H－3火箭同樣覬覦商業市場，在吸取H－2火箭開發的經驗教訓之后，將其一子級主動力由前期的閉式循環發動機更改為經濟性更好、價格更低的2～3臺LE－9新型開式循環氫氧發動機，發射價格降至5000萬美元左右，計劃2020年首飛。

5 結束語

美國SpaceX公司不斷進行技術創新和管理創新，獵鷹火箭的每一次更新與技術創新都給人們帶來了巨大的震撼，甚至改變了世界商業航天的發展走向。通過全面分析其技術更迭和優化過程，從中找到適合我國未來火箭發展特點的措施，才能夠在未來的商業航天浪潮中，站穩腳跟，迎難而上，闖出一條有中國特色的運載火箭發展道路。