“獵鷹9”:一次可回收而未回收的發射

文/陳亮

▲光桿的獵鷹9-v1.2- Block5

▲完整版的獵鷹9-v1.2- Block5版本

美國太空探索技術公司（SpaceX）的各種進展都會引起航天從業者和愛好者的關注，這兩年我們已經習慣了看到帶著柵格舵和著陸腿的獵鷹9火箭，然而2018年12月23日執行美國空軍GPS 3-A-1 任務（載荷為首顆第三代GPS衛星GPS 3-A-1）的獵鷹9-v1.2-Block5運載火箭竟然沒有柵格舵和著陸腿，這一簡陋的構型真的已經好久未見了，感覺好像“獵鷹9”出門少穿了幾件衣服……這種配置自然也就意味著這一發“獵鷹9”不會進行回收。

獵鷹9-v1.2 -Block5火箭自一露面就引起很多討論：這樣一枚設計可以重復使用十次以上的獵鷹火箭，竟然要一次性使用，有沒有搞錯？馬斯克這是受了龍“CRS-16”回收失敗的刺激？還是美國空軍財大氣粗，就是這么任性？

不回收是受龍“CRS-16”回收失利的影響嗎？

有些人可能會懷疑取消回收是因為受到2018年12月5日美國宇航局“商業補給服務”（CRS）項目下國際空間站貨運補給任務的龍貨運飛船，任務代號龍“CRS-16”陸上回收失敗的影響，火箭一級落入岸邊不遠的海中。

龍“CRS-16”本來是一次平淡無奇的發射。唯一特別之處，這是獵鷹9-v1.2- Block5火箭首次執行對國際空間站的貨運補給任務。

成功回收已經是近兩年SpaceX公司的常態。

在龍“CRS-16”發射之前，“獵鷹9”芯一級（包含重型獵鷹三枚通用芯級回收）在37次（不含傘回收）回收嘗試中，成功降落31次，成功率84%。其中17次已經執行了第二次飛行任務，其中包括2次使用“獵鷹重型”助推器。海上回收25次，失敗6次；陸地回收12次，全部成功。

▲“CRS-16”任務中的火箭回收

▲獵鷹9-v1.2-Block5火箭陸地回收失敗后，火箭一級落入海中

出乎絕大多數人的意料，執行龍“CRS-16”任務的全新的獵鷹9-v1.2-Block5火箭因為柵格舵伺服系統故障回收失敗。此次回收是SpaceX公司陸地回收首次遭遇失敗。

實際上，美國空軍的GPS 3-A-1任務早就確定了，不可能臨時修改箭體結構。顯然這次任務從一開始就沒打算回收。

火箭回收與否誰來定？

從火箭性能方面看，一般是看火箭本身是否采用回收設計或者是否具有回收價值，二看運載能力是否滿足回收要求。

獵鷹9火箭從1.2版本以后，都可以回收。執行這次任務的獵鷹9-v1.2-Block5運載火箭屬于最新的“Block5”，是可以重復使用十次以上的最新版本，不存在沒有回收價值的問題。

那就是回收狀態的運載能力不足？那我們先來看看回收對“獵鷹9”運載能力有什么要求：

問題1：這些年獵鷹火箭都把載荷發射到了什么樣的軌道？

“獵鷹9”的典型任務包括向國際空間站運送貨物，發射通信衛星和地球觀測衛星到地球同步轉移軌道（GTO）和低地球軌道（LEO），包括部分極軌道（PO），以及少量高軌道載荷。高軌道任務包括發射外太空氣候觀測站（DSCOVR）到太陽拉格朗日 L1點，向月球飛行軌道上發射凌日系外行星勘測衛星（TESS），以及重型獵鷹試飛發射特斯拉跑車到火星軌道以外的日心軌道。

問題2： SpaceX公司從哪兒發射？在哪兒回收？回收方式是怎樣的？

SpaceX公司目前使用東海岸的卡納維拉爾角空軍基地、肯尼迪航天中心和西海岸的范登堡空軍基地三個發射場。范登堡空軍基地可以實現高軌道傾角的發射（66°-145°），包括極軌道（PO）和太陽同步軌道（SSO），而卡納維拉爾角空軍基地可以實現中等軌道傾角的發射，最高可達51.6°，主要有近地軌道（LEO）和地球同步轉移軌道（GTO）。卡納維拉爾角空軍基地的的LC-13發射臺現已改名為LZ-1，2017年旁邊增建了LZ-2，用于回收重型獵鷹火箭的第二個助推器。

▲卡納維拉爾角和肯尼迪中心的發射場和回收場（沿海岸線依次為SLC-40、LC-39A、LZ-2、LZ-1）

▲LZ-1和LZ-2，重型獵鷹兩個助推器穩穩落地就是在這兒

▲SLC-4E發射場和LZ-4回收場

西海岸的范登堡空軍基地的SLC-4E射向向南，用于發射極軌道和太陽同步軌道載荷。發射后的著陸將在鄰近的SLC-4W進行（改建為LZ-4）。

除了三個陸地回收場，SpaceX公司還有引以為傲的海上回收平臺（ASDS），分別為“當然，我依然愛你”、“請看說明書”以及在建的“莊嚴的短缺”。

問題3：回收會對運載能力造成多大的影響？

先來看看“獵鷹9”一次性不回收任務都有哪些。

“獵鷹9”不回收狀態發射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛星，重量為9600千克（777公里極軌道）。地球同步轉移軌道軌道最大載荷為通訊衛星Intelsat 35e，重量6761千克。軌道高度最高當屬“DSCOVR”的太陽拉格朗日L1軌道了。早期1.0版本、1.1版本不能回收，1.2版本只能復用一次，在第二次發射后多數不回收，這是受到火箭可重復使用性能的限制；部分高軌道發射任務也不回收，就是受到運載能力的限制了。

▲SpaceX公司海上回收點分布藍色為“獵鷹9”一子級回收點（西海岸）

▲SpaceX公司海上回收點分布藍色為“獵鷹9”一子級回收點（東海岸）

陸地回收則幾乎都用于近地軌道發射，其中貨運飛船最多（比如這次的龍“CRS-16”貨運飛船）。陸地回收狀態下發射過的最大載荷為X-37B OTV-5，重量為4990千克。

海上回收發射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛星（與一次性使用的最大載荷相同），重量為9600千克；地球同步轉移軌道最大載荷為通訊衛星Telstar 19V，7075千克。

對比這些數字，我們不難看出，對于現有的地球同步轉移軌道、極軌道、近地軌道任務，“獵鷹9”海上回收的運載能力和一次性使用已經沒有明顯區別，其中極軌道的載荷已經接近現有過渡支架承載能力的上限；而陸地回收對運載能力有明顯限制，沒有超過5噸，且基本上都是近地軌道。

問題4：回收為什么會對運載能力造成影響？

根據回收過程點火次數不同，“獵鷹9”的一級回收彈道有兩次點火和三次點火的區別。兩次點火時是在再入大氣層前減速點火和著陸段的制動點火，著陸點在發射彈道的航跡線下（其著陸點主要由分離位置速度決定），主要采用海上駁船回收方式回收。海上回收點距離發射點距離約為600～700公里，主要用于發射地球同步轉移軌道載荷。

對于三次點火回收方式，比兩次點火多一次機動點火（反推點火或叫著陸點修正點火），這次點火的目的是調整回收著陸點，通過這次機動，可將著陸點選擇為發射場，也可以選擇為其他（可達范圍內）指定著陸點。海上回收點距離發射點距離為200～400公里，主要用于發射極軌道載荷（如銥星NEXT），陸上回收點一般用于回收近地軌道的龍飛船。

陸地回收需要三次點火，消耗推進劑量比較大，自然對運載能力的影響最大。而對于海上回收，不需要一子級轉向往回飛，推進劑消耗量自然大減，尤其是遠陸點海上回收，僅需要兩次點火。從實際結果來看，重復使用對地球同步轉移軌道、近地軌道載荷的運載能力的影響比較小，以至于美國宇航局在對比各家火箭運載能力時直接選用了“獵鷹9”重復使用條件下的運載能力。

把“敗家”進行到底

那么，對于這次發射美國空軍GPS 3-A-1衛星，如果“獵鷹9”進行回收，運載能力到底夠不夠？

首先需要注意的是，這次任務的中地球軌道（MEO）載荷SpaceX公司之前并沒有發射過。

GPS 3-A-1衛星重量為4400千克，軌道為20181公里×20181公里，軌道傾角55°。按照此次任務的時序，火箭二級經過接近一小時的滑行二次關機，高度為1220公里，之后是近47分鐘的無動力滑行直至星箭分離。火箭將衛星送入一個近地點不大于1220公里、遠地點約為20000公里的橢圓軌道。根據彈道計算，雖然這次發射的近地點高于地球同步轉移軌道，但“獵鷹9”海上回收狀態下運載能力其實能夠滿足發射入軌的需要。

▲海上回收平臺

而且從此次任務的發射時序上看，獵鷹9-v1.2-Block5火箭一級工作164秒，在很大程度上降低了二子級的壓力，為這次重要的發射任務提供了很大余量。

留出這些余量的一個重要目的是為了滿足此次發射的用戶——美國空軍的特殊要求。美國空軍要求“獵鷹9”的二級有足夠的推進劑用于離軌以再入大氣層銷毀——為了避免產生太空垃圾。此次任務美國空軍方面的主管表示，“獵鷹9”沒有足夠的性能同時滿足空軍的要求和回收——雖然他們在回收這件事上做得很成功。這也就解釋了此次任務中二級發動機工作時間更短的現象——為了給二級保留更多的推進劑實現離軌，這次留給火箭二級離軌的余量也是非常的充足……

美國空軍在重要載荷的發射上一貫慎之又慎，“只要有一絲風險或變化，都要最大限度地避免”。比如，就在這次任務中，為了增加發射的“彈性”，作為第三代GPS的首星，GPS 3-A-1導航衛星相比當初的設計增加了半噸多的推進劑……火箭二級非常“足夠”的推進劑余量更是給發射上了雙保險。所以，也很難說SpaceX公司這次選擇不回收是因為運力不足還是為了“保成功”，真相大概只有美國空軍和SpaceX公司知道了。

唯一可以肯定的是，美國空軍肯定給了足夠的錢讓SpaceX公司把號稱可以重復使用十次乃至百次的獵鷹9 Block5火箭送入大西洋海底。