美国猎鹰－9可重复使用火箭方案研究

单文杰 代坤 康斯贝（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

2011年9月30日，美国太空探索技术（SpaceX）公司首席执行官兼技术总监艾伦·马斯克（Elon Musk）在华盛顿国家新闻俱乐部（National Press Club）的演讲中，首次披露了该公司研发可重复使用火箭的消息，这种新型火箭将是猎鹰－9（Falcon－9）火箭的可重复使用版。

1 猎鹰－9火箭概述

研制背景

2006年1月18日，为解决航天飞机退役后“国际空间站”的航天员与货物运输问题，美国航空航天局（NASA）启动了为期5年、价值5亿美元的“商业轨道运输服务”（COTS）计划。该计划旨在支持私人企业发展航天技术，并最终为“国际空间站”提供货物和航天员补给服务。

“商业轨道运输服务”计划第一阶段的竞争分为两轮：2006年的验证竞争和2008年的验证竞争。在第一轮竞争中，美国航空航天局收到了由20家公司递交的29份提案，该局在2006－2010财年为中标公司投资5亿美元。太空探索技术公司凭借猎鹰－9火箭和“龙”（Dragon）飞船方案竞标成功。根据合同，截至2010年，太空探索技术公司共获得2.78亿美元投资。

在第二轮的竞争中，美国航空航天局共收到13份提案。2008年12月，美国航空航天局宣布把“商业轨道运输服务”计划合同授予美国太空探索技术公司和轨道科学公司（OSC）。这两家公司将在2010－2016年为“国际空间站”提供独立的货运补给服务，期间需要分别向“国际空间站”运送质量达20t的货物。其中，美国太空探索技术公司获得了价值16亿美元的合同，内容是使用猎鹰－9火箭发射“龙”飞船，在肯尼迪航天中心执行12次任务。

基本情况

猎鹰－9火箭是在美国太空探索技术公司猎鹰－1火箭的基础上研制而成的，其设计目标是：研制出一种具备“改进型一次性运载火箭”（EELV）运载能力的新型火箭，同时显著地增加可靠性、降低成本，提升快速响应能力。其设计理念包括简化结构、消除故障或将故障最小化等。

猎鹰－9火箭有3种构型：一种是安装5.2m直径整流罩，另一种是安装“龙”飞船，还有一种是猎鹰－9重型运载火箭（在第一种构型的基础上捆绑2台液体助推器）。

猎鹰－9火箭能显著地降低进入太空的成本。安装5.2m直径整流罩的猎鹰－9火箭的发射费用为5000万美元左右，可提供全套的发射服务，包括任务综合费用、发射场费用和附加费用。此外，猎鹰－9火箭还可执行“一箭多星”发射任务。

一、二级分离

第一级着陆装置展开

第一级着陆

第二级再入

第二级着陆

四次发射

2010年6月4日，美国太空探索技术公司的猎鹰－9运载火箭从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地首次发射升空，并于9.5min后将“龙”飞船的实体模型送入高度250km、倾角34.5°的预定轨道。这是美国“商业轨道运输服务”计划下开发的商业运载火箭进行的首次飞行试验。

2010年12月8日，猎鹰－9火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射了美国太空探索技术公司研制的“龙”飞船，这是猎鹰－9火箭第二次执行发射任务。本次试验的目的是对“龙”飞船进行首次验证飞行。作为辅助有效载荷，猎鹰－9火箭此次发射还搭载了8颗微卫星，质量均在几千克以内，它们分别隶属于美国陆军航天与导弹防御司令部、美国国家侦察办公室、洛斯-阿拉莫斯国家实验室等单位。

2012年5月22日，猎鹰－9火箭从卡拉维拉尔角发射场把美国太空探索技术公司研制的“龙”飞船第二次送入太空。10min后，“龙”飞船与火箭成功分离，并进入预定轨道。本次“龙”飞船的任务包括与“国际空间站”的交会、捕获、靠泊等作业，并在对接6天后离开“国际空间站”返回了地球。

2012年10月8日，猎鹰－9火箭从卡拉维拉尔角发射场把美国太空探索技术公司研制的“龙”飞船第三次送入太空。不过发射中作为次级载荷的第2代“轨道通信”（Orbcomm）卫星因火箭出现故障，未能进入有效轨道。

2 猎鹰－9火箭方案

方案概述

猎鹰－9火箭包括重复使用的一级、二级火箭，第一级从亚轨道垂直返回，第二级再入时在热防护系统的保护下垂直返回。这两级火箭不会像航天飞机那样滑翔返回，而是垂直下落，最后靠4个支架逐渐下降。然后补充燃料和修复，并重新发射。

“蚱蜢”计划

为了研发可重复使用猎鹰－9火箭，美国太空探索技术公司秘密实施了“蚱蜢”（Grasshopper）计划，来验证相关技术。2012年9月21日，美国太空探索技术公司在得克萨斯州的测试场进行了第一跳测试。尽管这次测试只升空了1.83m，且不到3s，但是它是一系列测试活动的开始，目标是让升空的火箭级可以重复使用。几个月内，“蚱蜢”技术再次进行测试，升空高度达到30m。

“蚱蜢”第一跳

“蚱蜢”由猎鹰－9火箭的第一级贮箱构成，配有4个钢着陆支架和一个钢支撑结构，完全可重复使用。正常入轨后，火箭和飞船分离，圆柱形火箭通过自制导返回地面，盘旋着垂直下降至发射台并利用4个钢支架着陆。这两级火箭都是仅靠火箭动力反推而不是用降落伞返回地球。太空探索技术公司计划利用2～3年时间建造紧急逃生系统。该系统的逃生推进器被固定在飞船太空舱的一边，因此可以使用它有动力着陆。

“蚱蜢”采用一台灰背隼－1 D（Me r lin－1 D）发动机，推进剂为航空煤油和液氧，推力可达55338.224 k g，机体高32.3088 m，其中贮箱高25.908 m。第1次试飞高度为73.152 m，然后着陆，飞行时间45 s；第2次试飞高度为204.216m，然后着陆，时间仍是45s。此后的试飞高度依次提高，分别是365.76m、762m、1524m、2286m、 3505.2m，试验历时将逐渐增加到160s。

3 垂直着陆可行性分析

猎鹰－9火箭的第一级与第二级均采用垂直着陆方式，这种返回着陆方式与麦道公司提出的“三角快帆试验机”（DC－X）及其改进型（DC－XA）方案相同。当时，该方案成功中标美国1990年8月提出的“单级入轨火箭技术计划”（SSRTP）。

“三角快帆试验机”是世界上第1个以火箭发动机为动力、垂直起降的完全重复使用运载器。在麦道公司所进行的12次“三角快帆试验机”以及改进型的飞行试验中，实现了最大飞行高度3155m，验证了单级火箭系统垂直起降、快速飞回和简化地面保障技术；验证了自适应容错飞行控制系统、飞行期间发动机的启动能力与安全关机能力、允许1台发动机发生故障的能力；首次进行了石墨/环氧复合材料液氢箱的飞行；实现了所有操作人员仅为12人；实现了快速重建，在改进型“三角快帆试验机”第2次和第3次飞行之间，改换软件、制导增益和降落点只需要6h，制导计算机的更换也只用了45min。“三角快帆”为未来可重复使用运载器的研制提供了丰富的技术、设计、制造和操作经验。

“三角快帆试验机”采用由4个可伸缩的套筒式支杆组成的起落架系统。这种套筒式起落架可以在着陆时吸收发动机熄火后的冲量并提供安全的着陆间隙。着陆支杆中装有提供发动机熄火信号的传感器。系统设计时考虑了在水泥平台上正常着陆和利用降落伞在沙地应急着陆两种模式。“三角快帆”试验计划由2组地面试验和3组飞行试验组成。改进型“三角快帆试验机”全称是“三角快帆”先进试验飞行器。它主要用于验证未来可重复使用运载器采用的诸如铝锂合金和复合材料液氧箱、复合材料液氢箱、低温健康管理系统等技术。改进型“三角快帆试验机”共进行了7次地面试验和4次飞行试验。在第4次飞行试验中被烧毁，原计划进行的第5次飞行试验也被取消，该项技术验证计划也随之提前结束。“三角快帆试验机” 及其改进型的12次飞行试验对运载火箭垂直着陆技术进行了充分验证，它表明完全可重复使用猎鹰－9火箭的垂直着陆已是可行的。

“三角快帆试验机”示意图

4 启示

通过分析美国太空探索技术公司猎鹰－9火箭及其可重复使用方案后，可以得到以下启示：第一，美国政府力推美国太空探索技术公司这样的私营商业航天企业，将很有可能改变未来全球航天事业的格局，特别是其商业模式一改过去举国体制下“集中力量办大事”的方式，也不同于少数几家巨头垄断整个市场分享政府大订单的传统模式，其长远影响可能是颠覆性的。第二，航天发射技术已逐渐成熟，技术门槛和资金门槛日益降低，全球发射市场对高可靠性、低成本商业运载工具的需求愈加强烈，完全可重复使用是降低一次性运载火箭发射成本的最有效的途径，也是航天运输系统必然的发展趋势。第三，运载火箭垂直着陆的可重复使用方案已在国外经过飞行试验验证，我国的载人飞船也是采用垂直着陆方式，因此，研究垂直着陆的可重复使用技术有重要意义。