猎鹰系列火箭总体设计特点

□ 袁宇

通用芯级理念

“猎鹰”9V1.1和“猎鹰”重型火箭使用的一级和助推器是基本相同的，而且二级与一级的贮箱直径都是3.6m，结构设计、材料与工艺都一致，差别仅在于长度不同。通用芯级理念在美国“渐进性一次性运载火箭EELV”项目研制的两种运载火箭——“德尔它”IV和“宇宙神”V、俄罗斯下一代运载火箭“安加拉”设计中，都得到应用。通用芯级可以简化火箭设计工作，简化贮箱和发动机的生产线，有利于快速批量生产，降低生产成本，提高制造质量。

不过，Space X的“猎鹰”9重型火箭，在通用芯级理念的基础上，加入了“交叉输送”技术。传统的通用芯级构型的火箭，芯级与助推器之间仅有结构的连接，不存在推进剂的连接。而“猎鹰”9重型运载火箭可以在飞行中，将助推器的推进剂向芯级输送，这样助推器会先耗尽关机，分离的时候芯级的推进剂还差不多是满的。通过这种办法，可以使芯级工作更长的时间，实现一级半到达近地轨道（LEO），两级到达地球同步转移轨

道（GTO）。Space X宣称“猎鹰”9重型火箭在使用“交叉输送”技术时，可将53吨载荷送入LEO轨道，如果发射的载荷没这么重的话，则关闭该系统，这时候火箭的LEO运载能力会下降到45吨。“交叉输送”并不是由Space X最早提出，却是Space X第一个应用的。

通用发动机理念

两型火箭的芯一级、助推器、二级都使用同一种发动机，其中，“猎鹰”9V1.1一级使用了9台Merlin 1D发动机，二级使用了一台Merlin 1D的真空型号（通过增加喷管扩张比）；“猎鹰”9重型芯一级和助推器使用的Merlin 1 D发动机达到27台之多，二级也是一台Merlin 1D真空型。这种一级、助推器、二级使用同一基本型发动机，一级多台并联满足大推力要求，二级增大喷管扩张比满足性能要求的设计思想，可以降低单台发动机推力要求，减少发动机型号，因而可以降低运载器研制难度，缩短研制时间，节省经费。这一思想最早出现于20世纪60年代，前苏联的SS-7、SS-9战略导弹（后改为“旋风”运载火箭），欧洲的“阿里安”1-4系列运载火箭，我国的“东风”四号战略导弹，“长征”二、三、四号系列运载火箭都贯彻了这一理念。这些导弹和运载火箭在长年的服役中都获得了优异的发射成功率。

动力冗余技术

虽然通用发动机的理念在航天界不是什么新闻，但是上面所述其他国家的导弹和火箭，一级一般只有4台发动机并联使用。发动机并联数量过多，会直接导致动力系统整体的可靠性降低。简单来说，即使每台发动机的可靠性高达0.99，但如果一台发动机出现故障就可以导致飞行失败的话，那么9台发动机的可靠性就只剩下0.99的9次方0.91了，27台发动机的可靠性就只剩下0.76了。这方面最典型的失败案例就是前苏联研制的N-1登月火箭，其一级并联使用了30台NK-15发动机，导致动力系统和推进剂输送系统空前复杂，结果是N-1火箭4次飞行4次失败，其中一次是在发射台上直接爆炸，三次凌空爆炸。

有了N-1的先例，航天界纷纷对Space X设计的9机并联、27机并联的猎鹰系列火箭的可靠性表示怀疑。Space X则宣称在猎鹰系列火箭设计上采用了动力冗余技术，即9台发动机中，一两台发动机出故障不会对发射成功造成影响。具体是：在起飞后的90s内一台发动机故障关机、90～160s内两台发动机故障关机都不会影响飞行安全。

动力冗余技术的基础是发动机状态实时监测系统，以及故障诊断与处理系统技术。火箭在发射台点火后，通过这两个系统快速判断9台发动机是否工作正常，如果参数出现异常则立即关机停止发射。只有当所有数据表明发动机正常工作后，发射台才会释放火箭起飞。在飞行过程中，则由箭上的计算机来负责检测各台发动机状态，若有某台出现异常则立即关机，防止出现不可控的爆炸等严重后果。

2012年10月，“猎鹰”9火箭执行第二次国际空间站货运补给任务时，就出现了一台发动机故障关机的情况，动力冗余技术发挥了关键作用，最终“龙”货运飞船还是进入了轨道。搭载的全球卫星数据通信公司的一颗小卫星受此影响却未能进入预定轨道。这次飞行，实际验证了动力冗余技术的有效性，在某些情况下可以力挽狂澜。

“猎鹰”9一级的9机并联动力系统

Space X的火箭贮箱生产线

大量使用商用成熟技术

得益于美国雄厚的工业基础和政府对航天技术几十年的巨大投入，Space X可以轻松地在市场上采购到成熟的火箭生产设备、原材料，以及货架式产品，如导航/控制系统中的GPS定位仪、传感器、芯片等。贮箱壳体使用的铝锂合金，原来就是航天飞机外挂贮箱的材料；贮箱焊接使用的搅拌摩擦焊技术，在波音公司“德尔它”II、IV运载火箭的贮箱生产上已经使用多年，并在工业焊接市场得到广泛应用。

猎鹰系列火箭的导航/控制系统，是在商业Linux操作系统上自主开发的，使用的电子元器件也多是商业级的成熟批量产品。与传统火箭上昂贵的军用定制级电子元器件相比，性能并不逊色，价格却极低。至于可靠性方面，每枚火箭上的导航/控制系统有三重冗余，足以保证飞行安全。

致力于可重复使用

运载火箭的硬件成本（箭体、发动机等）占发射成本的60%～70%，而推进剂费用只有20%左右。一直以来，实现火箭的重复使用，大幅度降低发射成本都是航天界的梦想，艾伦•马斯克也不例外。从猎鹰系列火箭设计之初， 马斯克就坚持要开发火箭重复使用技术，尤其是对最长最重的一级。马斯克宣称，实现重复使用后，猎鹰系列火箭的发射价格，还能在现有价格上对折，真正实现他的目标——每千克载荷发射入轨费用降低到1000美元。在“猎鹰”9早期的设计中，曾经有过使用降落伞溅落海面回收一级的方案，但是分析和飞行数据表明这并不是一个好想法。

2011年，Space X提出了“垂直起飞，垂直降落，简称VTVL”的一级回收复用方案。一级火箭分离后，在再入大气层过程中重新开启三台发动机减速，在接近地面的时候打开4个支撑腿，并启动一台发动机，通过发动机推力的控制，使火箭垂直降落在着陆场上。这个相当“科幻”的重复使用概念，早在1990年就已经提出，麦道公司（1997年并入波音）在1991～1996年间，曾经开发了两型“德尔它”快帆验证机，对相关技术进行飞行验证。不过，“猎鹰”9一级火箭的飞行高度和速度、控制难度，远超出了“德尔它”快帆的已验证范围。

2012年起，Space X利用“蚱蜢”（Grasshopper）技术验证机，在德克萨斯州试验场开展VTVL技术试验，在先后8次的飞行中，最高飞行到了744米，并成功降落。但是，“猎鹰”9火箭一级分离时，速度高达10马赫，高度在45千米以上，还面临严重的推进剂不沉底、气动载荷、姿态失控、高空横风等问题，这些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦无法验证的。Space X对此的办法是在实际飞行中去试验，去解决。在新版本的猎鹰9V1.1火箭一级底部，设计了4个可折叠的着陆支撑腿，并为一级安装了姿态控制发动机系统（使用冷气推进）。2014年4月19日，在“猎鹰”9V1.1执行第三次ISS商业货运任务时，支撑腿正式亮相。此次飞行的目标是实现一级分离后的姿态控制，以及可控减速；飞行数据表明这些目标基本实现。在“猎鹰”9V1.1后续发射任务中，Space X将继续对VTVL技术进行验证，具体进展有待后续关注。

“猎鹰”9V1.1火箭上的着陆支撑腿（折叠状态）

“蚱蜢”垂 直起降技术验证火箭