“猎鹰9”运载火箭海上平台成功回收的分析及启示

王 芳， 程洪玮， 彭 博

(北京跟踪与通信技术研究所， 北京 100094)



“猎鹰9”运载火箭海上平台成功回收的分析及启示

王 芳， 程洪玮， 彭 博

(北京跟踪与通信技术研究所， 北京 100094)

为全面分析SpaceX公司垂直起降重复使用“猎鹰9”火箭技术水平和发展潜力，系统概括了SpaceX公司特点和“猎鹰9”火箭相关飞行试验，采用经验总结法剖析了SpaceX公司取得成功的深层次原因，研究了海上平台垂直回收的优缺点和重复使用关键技术。通过模型假定和仿真计算表明,“猎鹰9”重复使用火箭运载能力损失约30%以上、发射费用可降低30%；在此基础上提出“猎鹰9”火箭后续跟踪研究的主要问题，我国低成本运载火箭发展策略以及我国运载火箭技术发展差距等。

“猎鹰9”运载火箭；垂直起降；重复使用；低成本

随着航天技术的迅猛发展，航天发射任务越来越密集，低成本进入空间成为国际热点话题。21世纪以来，美国、俄罗斯、欧洲等国家和地区均瞄准低成本进入空间，研制新一代一次性使用运载火箭。北京时间2016年4月9日凌晨4时，美国SpaceX公司“猎鹰9”运载火箭在完成充气式太空舱发射任务时，首次实现海上平台一子级垂直回收，具有重大里程碑意义。本文将对SpaceX公司和“猎鹰9”重复使用运载火箭进行系统梳理和分析，得出对我国运载火箭发展的启示。

1 SpaceX公司情况及特点

SpaceX公司是一家从事太空运输的私营公司，由原Paypal及特斯拉汽车创始人艾伦·马斯克于2002年创立[1]，总部位于美国加利福尼亚州。目前该公司拥有员工4 000余人，主要提供和承担大量商业卫星发射和美国政府发射任务，主要产品为“猎鹰”系列运载火箭以及“龙”飞船，目标是提供廉价的航天发射服务[2]，将航天发射成本降至现有运载火箭的十分之一，将物资和人员运送风险减至十分之一[3]38。

该公司主要有以下特点。一是搭建高度扁平化的组织架构[4]，促进技术研讨和提高效率。借鉴美国硅谷高技术企业经验，公司高级管理人员与员工比例将近1∶200，各领域员工平等地参加技术研讨、设计、开发等工作。二是瞄准低成本开展研制，技术继承和创新相结合。火箭主发动机充分借鉴“阿波罗”计划登月舱主发动机整体设计和喷注器等关键组件[5]，在此基础上提高推力、比冲等性能；测试发射回收软件在商业软件基础上改进；瞄准一二级贮箱产品化创新研制低温共底贮箱等。三是培养小型精英化的科研团队，保证工作质量。公司强调培养“高工资、高水平、高效率”的“三高”小型精英团队，高管多来自波音、洛克希德·马丁等大型航天企业，具有航天背景和丰富的工作经验。四是注重“三化”(通用化、组合化、系列化)设计思想和产品化理念，提升快速、低成本研制能力。公司从设计到操作注重产品的“三化”和标准化，强调科学合理的简化原则，充分利用货架产品以及数字化手段辅助实施。五是测试设备和发射工位自管自用。无须像波音、洛克希德·马丁公司一样租用美国政府相关设备，拥有自己的测试设备和2个发射工位，便于做到随时测试、快速周转。六是设计与生产无缝对接。计划管理、工程研发和制造生产人员协同工作，有效缩短生产供应链，保证研发团队工作效率，节约成本。七是注重仿真平台和信息化系统建设。公司使用先进的图形显示系统和仿真平台，增强工作人员对任务的全局掌控能力和对发射任务的快速响应。

2 “猎鹰9”运载火箭及相关试验

2.1 “猎鹰9”运载火箭

“猎鹰”系列运载火箭按照模块化、通用化、组合化的原则设计和研制，强调高可靠、低成本和易操作，包括“猎鹰1”“猎鹰9”“猎鹰9重型”运载火箭。

“猎鹰1”是两级液氧煤油运载火箭，在共底贮箱充压稳定结构设计上独具特色。火箭全长21.3 m，最大直径1.7 m，一级采用1台Merlin-1C发动机，二级采用1台Kestrel发动机，起飞质量38.6 t，起飞推力约454 kN，近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)运载能力570 kg，单次发射服务价格670 万美元。2008年9月第4次发射时取得成功，2009年7月第5次发射后退役[6]。

“猎鹰9”是在“猎鹰1”基础上研制的两级液氧煤油运载火箭，在一二级贮箱产品化设计和牵制-释放发射飞行上独具特色。火箭全长70 m，直径3.7 m，一级采用9台Merlin-1D(在Merlin-1C发动机基础上提高推力和比冲)发动机，二级采用1台Merlin-1D真空发动机(在Merlin-1D发动机基础上增加延长喷管等)，起飞质量约549 t，起飞推力约7 606 kN，LEO运载能力22.8 t，地球同步转移轨道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)运载能力8.3 t，单次发射服务价格6 200 万美元。2010年6月首次发射时取得成功[7]，截至目前共完成26次发射，24次取得成功。

“猎鹰9重型”是在“猎鹰9”基础上研制的两级半液氧煤油运载火箭，在火箭一子级与助推器推进剂交叉输送设计上独具特色。火箭在“猎鹰9”基础上捆绑2个通用芯级助推，全长约70 m，芯级直径3.7 m，起飞质量约1 421 t，起飞推力约22 819 kN，LEO运载能力54.4 t，GTO运载能力22.2 t，单次发射服务价格9 000 万美元，用以执行更大载荷的发射任务和后续的火星探测任务，尚未进行首飞。

进行可重复使用试验的是“猎鹰9”运载火箭[8]。为实现可重复使用，在运载火箭一子级上部和尾部分别安装栅格舵和可展开式着陆支架，通过主发动机3次点火反推实现减速、降落，使用安装在一子级上部的栅格舵实现返回姿态控制，采用垂直降落的方式返回。

2.2 首次海上成功回收试验

2016年4月9日，“猎鹰9”运载火箭从美国卡纳维拉尔角发射场发射。运载火箭在射前35 min液氧煤油推进剂同时加注，射前3 s发出点火指令，0 s升空。火箭一二子级分离后，一子级通过3次点火返回，分别是86 s后3台发动机反推点火，间隔3 min后3台发动机再入点火和间隔1 min后1台发动机着陆点火。一子级返回过程中使用安装在一子级上部的栅格舵实现返回姿态控制，依靠安装在一子级后部的可展开式着陆支架实现着陆支撑。火箭将有效载荷送入预定轨道9 min后，一子级成功着陆在距离发射点约300 km、面积为52m×91m的海上平台。

2.3 有关重复使用回收飞行试验

为成功实现“猎鹰9”运载火箭一子级海上平台垂直回收，除开展多次发动机等地面试验外，2012年起，SpaceX公司先后开展了5类飞行试验：一是8次蚱蜢试验[9]，如表1所示，即1台发动机的一子级发射回收试验，最大飞行高度744 m，最长飞行时间90 s；二是5次Fal-Dev试验，如表2所示，即3台发动机的一子级发射回收试验，最大飞行高度1 000 m，最长飞行时间120 s；三是4次利用“猎鹰9”火箭发射服务的一子级海上溅落试验，如表3所示；四是1次陆地回收试验，在距离发射点20 km的陆地成功回收一子级，如表4所示；五是8次海上平台回收试验，如表5所示。

表1 蚱蜢试验

表2 Fal-Dev试验

表3 “猎鹰9”火箭一子级海上溅落试验

表4 “猎鹰9”火箭一子级陆地回收试验

表5 “猎鹰9”火箭一子级海上平台回收试验

3 SpaceX公司取得成功的深层次原因

SpaceX公司简单、低成本、高可靠的产品发展理念契合空间发展要求，政府在政策、技术、人才上给予支持，强大工业技术作为基础支撑，研发资金的持续投入，鼓励创新的文化氛围，高效组织的管理模式是该公司走向成功的五大关键。

3.1 政府支持保障是SpaceX公司成功的前提

美国政府在政策、技术和人才上都给予私营公司巨大支持，是私营公司发展的前提条件。一是出台多部政策法规。《商业航天发射竞争办法》《鼓励私营航空航天竞争力与创业法》《航天现代投资法》《商业航天法》《商业航天发射法》和新版《国家航天政策》等政策的出台，创造了良好的商业航天发展生态环境，鼓励和保障私营公司公平参与航天工业竞争的权益。二是开放航天领域技术成果[10]。美国政府将航天飞机、载人登月等技术成果向私营公司开放，有效引导和培育军民航天工业技术的双向流动，并颁布了《国防授权法》《国家竞争力技术转移法》《国防工业技术转轨、再投资和转移法》等政策法规予以保障。三是给予人才支持。政府直接派出技术人员助其研发喷注器等关键技术，另外公司管理人员和设计人员多数来自波音、洛克希德·马丁等传统火箭研制公司，专业熟练，经验丰富。

3.2 强大工业技术是SpaceX公司成功的基础

美国高度发达的航天产业基础是公司得以快速发展的基础条件。从20世纪60年代开始，美国对航天工业投以巨资，长期的积累不仅造就了美国航天超级大国的地位，还使其拥有世界上最尖端的技术和最完备的产业链，同时培养了一大批经验丰富的航天工程人员。“猎鹰9”火箭铝锂合金板材、碳纤维复合材料、搅拌摩擦焊接及箱底旋压设备、以太网远程测发等均采购工业级产品。SpaceX公司正是在这种强大厚实的工业基础下，发挥了新机制灵活性，激发创新活力，新产品脱颖而出，青出于蓝而胜于蓝，节约了火箭开发费用，加快了研发速度，争取了竞争时间。

3.3 研发资金持续投入是SpaceX公司成功的保障

SpaceX公司从2002年注册成立以来，先后研发了多项产品。在“猎鹰1”首飞期间同时研发“猎鹰9”运载火箭，“猎鹰1”成功后继而研发“猎鹰1”升级版和“猎鹰5”，在重新梳理发射市场需求后放弃“猎鹰1”升级版和“猎鹰5”，在“猎鹰9”首飞成功后积极研发“猎鹰9重型”和飞船。从艾伦·马斯克曾在公司官网上发布的文章可以看到，2002—2010年SpaceX研发费用支出约8亿美元。虽然与美国军方支持的改进型一次性运载火箭(Evolved Expendable Launch Vehicle，EELV)相比该研发费用降低了一个数量级，但对商业公司来说以亿美元为单位的年均资金投入不可小觑。正是由于SpaceX公司在产品研发资金投入上的不遗余力，才使得公司业务能力从低轨小型载荷发射拓展至低轨/高轨中大型载荷发射，以及空间站货运服务，造就当前发射服务合同源源不断的好局面，保障公司走向成功。

3.4 鼓励创新的文化氛围是SpaceX公司成功的激励

SpaceX公司算不上技术的原始开创者，但可以称得上是理念的颠覆者和技术的集成者，从某种意义上说这种创新比技术上的突破影响更为深远。“猎鹰”火箭研制过程中大胆采用新技术，包括共底贮箱充压稳定结构、一子级与助推器推进剂交叉输送技术、一二级贮箱同型、3D打印发动机主氧化剂阀门等。SpaceX公司在经历了“猎鹰1”火箭3次失败后，屡败屡战仍能脱颖而出完成从零到一的蜕变；经历了4次失败的海上回收试验，终于取得了成功。这些成就的取得，除了政府对扶持私营企业发展商业航天的决心和信心之外，主要取决于公司、航天领域乃至整个美国所倡导的大胆创新、允许试错的文化氛围。

3.5 高效组织管理模式是SpaceX公司成功的保证

扁平化的组织结构能够将创新的想法和概念在设计层和决策层之间快速传达，能够使相关决策及早地传达到基层并迅速实施[3]39，提高了团队工作效率，节约了管理成本，并降低研发和生产成本。SpaceX公司采用扁平化组织机构，没有部门划分，各领域员工平等参与技术研讨、设计和开发等工作，让团队所有人员都能切实参与产品设计。产品研发和生产过程在扁平组织结构下联系更加紧密，研发人员在产品设计之初就能考虑结构、材料和工艺之间的关系和可实现性，可与生产人员直接沟通，及时了解技术和工艺水平是否具备投产条件。另外，公司通过扁平化组织结构进一步凝聚和鼓舞团队，促进企业文化与个人理想深度融合。

4 首次海上成功回收试验分析

4.1 与陆地回收相比海上平台回收的优缺点

与陆地回收相比，海上回收有3个优缺点。优点主要有：一是便于调整回收区域，可根据每次发射弹道、入轨点高度、飞行轨迹等情况调整和确定返回着陆点；二是便于提高运载能力，无需返回靠近发射点的位置，可在发射弹道沿线选取返回着陆点，便于优化返回轨迹，节省推进剂，提高运载能力；三是便于安全控制，海上平台周边空旷，一旦发生回收失利情况，造成的损失有限。缺点主要有：一是返回制导和姿态控制难度增大，与陆地相比海上平台区域有限、随海水上下颠簸，返回制导和姿态控制精度要求高；二是增加海上平台控制环节，为使海上平台保持在预定点，需在海上平台上增加推力引擎；三是海上环境恶劣加大回收风险，可能出现的风暴、大海浪等海况将对回收造成影响，增大风险。

4.2 垂直返回可重复使用是降低发射成本的可实现途径

根据目前公布的“猎鹰9”运载火箭的总体参数，按照一子级垂直返回进行弹道计算和运载能力仿真分析，如表6所示。返回发射点的原场回收方式，火箭运载能力损失超过50%，如表7所示。不返回发射点的海上回收方式，火箭运载能力损失近30%，如表8所示。另外综合考虑重复使用运载火箭成本、测试发射费用、回收维护费用和利润等，参考网络公布数据和经验数值，通过计算，在一子级回收再使用后，火箭发射费用降低30%是可行的，如表9所示。

随着重复使用次数增加，发射成本将进一步降低，但重复使用达到一定次数后，回收维护费将急剧上升，发射成本可能出现上升趋势。垂直返回虽然带来较大运载能力损失且对大质量有效载荷适应能力有所降低，但仍将是运载火箭降低发射成本的可实现途径。

表6 “猎鹰9”运载火箭相关总体参数

表7 原场回收一子级推进剂用量及运载能力损失

表8 海上平台回收一子级推进剂用量及运载能力损失

表9 “猎鹰9”重复使用运载火箭发射报价估算

4.3 实现垂直起降重复使用还有部分关键技术需要突破

垂直起降重复使用运载火箭有6大关键技术：一是泵压式发动机大范围推力调节技术，即要求发动机涡轮泵、密封系统、调节阀门等适应较宽工况范围，满足反推、再入和着陆点火等要求；二是返回过程高精度控制技术，满足一子级在返回过程中，穿过平流层“大风区”(高度8～12 km)的姿态控制、返回着陆点位置控制和垂直姿态控制等要求；三是返回过程推进剂管理技术，一子级返回过程贮箱内部处于微重力环境，需抑制干扰避免推进剂剧烈晃动，满足微重力环境下液体推进剂沉底等要求；四是着陆支撑机构技术，着陆支撑机构需要有良好的抗冲击性能、适应倾斜姿态和水平速度、具备抗发动机喷流热防护能力等；五是子级再入热防护技术，火箭子级底部发动机安装布局外形复杂，高速再入热环境难以分析预估，需避免产品烧蚀和保证产品可维修再使用；六是产品可重复使用设计和维护技术。当前“猎鹰9”运载火箭成功完成海上平台回收，熟练掌握前4项关键技术，后2项关键技术还有待一子级产品复用以便进一步验证。

4.4 “猎鹰9”运载火箭或已掌握液氧煤油推进剂快速加注技术

根据SpaceX公司官网发布的测发流程，首次海上成功回收的“猎鹰9”运载火箭，射前推进剂加注流程较之前发射飞行试验略有不同。一是加注超低温液氧煤油推进剂。此次“猎鹰9”运载火箭加注推进剂温度为液氧-207℃、煤油-7℃，而之前“猎鹰9”运载火箭加注推进剂温度为液氧-183℃、煤油16～18℃。二是射前35 min液氧煤油推进剂同时加注。美国“宇宙神5”液氧煤油运载火箭，以及“猎鹰9”运载火箭前期发射飞行试验，液氧加注时间约为射前2～3 h。若此次公布的“猎鹰9”运载火箭测发流程为真，表明SpaceX公司已掌握大流量、超低温液氧煤油推进剂快速加注发射技术，对火箭优化测试发射流程缩短测试发射时间具有重大意义。

5 对我国运载火箭发展的启示建议

5.1 加强运载火箭低成本发展目标

“猎鹰9”运载火箭追求低成本的目标宣言和实际行动引起国际运载火箭低成本发展的又一浪潮，我国运载火箭也将低成本作为重要发展目标。建议后续主要在3个方面加强：一是国家引导层面，注重顶层规划，引入竞争机制，打破当前我国运载火箭研制垄断、发射任务固定分配的局面，按照发射价格、产品质量和服务水平等直接采购发射服务；二是企业管理层面，充分重视方案论证阶段的多方案比较和优化，利用信息化技术加强多学科集成设计和协同仿真，减少纵向管理层级，缩短决策链条，促进快速的循环设计和测试；三是产品层面，较高的技术基础水平和标准化通用化设计将提高产品效费比、降低单位有效载荷发射成本，我国运载火箭在轻质化结构材料、自动化高可靠工艺上还有差距，发动机推重比等性能也有待提高，在同型号发动机技术状态统一、标准通用子级模块采用上还需进一步加强。

5.2 加强重复使用运载火箭发展研究

运载火箭重复使用是实现低成本进入空间的方式之一，建议加强重复使用运载火箭技术跟踪与发展研究。一是跟踪研究已回收一子级的情况。回收一子级存放方式和存放环境、回收后的一子级主要维修检测项目、一子级复用前更换的部件和开展的地面验证试验等，都将影响重复使用运载火箭发射成本降低的程度，从而决定未来重复使用运载火箭发展潜力。二是研究重复使用运载火箭采购模式。重复使用运载火箭投入使用后，产品使用、产品定价模式等将在一次性运载火箭基础上发生变化，必将对火箭管理使用模式造成影响，更加适用于类似空间站固定重量货物运送等“总质量任务承包”模式和星座卫星发射等“团购”模式，需要深入研究。

5.3 加强技术创新提升装备性能水平

“猎鹰9”运载火箭一子级海上平台回收关键技术多、技术难度大，SpaceX公司在多次失败基础上总结经验教训、不断改进创新才能实现突破。我国运载火箭发展也应紧紧围绕创新驱动发展战略，鼓励广大科研人员技术创新、勇于实践，推动我国进入空间技术不断进步。一是加强专业技术创新。推质比约150的Merlin发动机技术、大长细比火箭制导控制技术、动力故障监测与冗余技术、箭体海上平台垂直回收技术等均为SpaceX公司自主创新研制的成果，使“猎鹰9”运载火箭重复使用成为可能。我国新一代运载火箭正在进行研制和首飞，固体助推捆绑、芯级捆绑、高性能大推力发动机、箭上1553B总线、地面测发控一体化等先进技术不仅有利于运载火箭性能水平提升，还有利于运载火箭成本降低，应鼓励创新发展。二是加强基础工业技术创新。铝锂合金共底贮箱结构、碳纤维复合材料夹层结构、搅拌摩擦焊先进工艺等的使用，造就了高水平“猎鹰9”运载火箭。我国航天大量研制保障条件和基础工业技术是通过长期持续的项目投入积累形成，未实现整个领域研制能力和工业技术水平的同步发展，需在材料、工艺和元器件等创新方面加强。

5.4 加强关键技术攻关和试验验证

SpaceX公司“猎鹰9”运载火箭成功实现一子级海上平台垂直回收，离不开强大厚实的工业技术和专业技术支撑，离不开循序渐进的地面试验和飞行试验验证。我国运载火箭发展也应在顶层设计指导下，注重和及早策划开展关键技术攻关和试验验证，加大投入，重点在总体优化设计、无毒无污染动力、低温特殊结构、轻质防热材料等方面取得技术突破，通过设计、研究、验证的迭代反复，熟练掌握一批先进的进入空间领域基础和专业技术，为运载火箭的性能提升和装备更新换代奠定坚实基础，有效满足我利用和控制空间要求。

5.5 鼓励和探索民营企业进入航天

从SpaceX私营公司的成功来看，民营企业进入航天，将引入灵活自由的体制机制、全新的企业组织管理模式和商业化运作思维，对破除行业技术壁垒、推进航天技术水平整体进步有积极作用。从国内发展现状来看，建议:一是健全扶持和规范民营企业发展的政策法规;二是建立民营企业与政府、军队等高效的沟通机制;三是对民营企业产品开放航天市场;四是明确国家基础设施对民营企业的配套和保障使用机制。积极鼓励和支持民营企业开展航天产品配套，降低准入门槛，逐步探索和孕育航天系统一体化解决方案供应商。

6 结 束 语

通过本文对SpaceX公司和“猎鹰9”火箭的梳理和分析，希望:一是引起我国对重复使用运载火箭发展的重视并提供借鉴，系统规划重复使用运载火箭技术发展路线，科学策划技术攻关和试验验证，推动相关技术发展和应用；二是为我国航天发展提供借鉴，促进我国形成更加开放的航天市场。

References)

[1]蓝云.商业规律与太空梦想的纠结：SpaceX公司面面观[J].卫星与网络，2014(8)：22-26.

[2]埃里克·席德豪斯.埃隆·马斯克与SPACEX的商业传奇[M].北京海鹰科技情报研究所，译.北京：机械工业出版社，2015：5-6.

[3]单文杰，高晓明.SpaceX公司“低成本、高可靠”理念引发的联想[J].航天工业管理，2012(1)：37-41.

[4]赵丽娜.运载火箭快速响应技术发展研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：29-30.

[5]龙江，肖林，孙国江.SpaceX公司运行模式对我国航天产业的启示[J].中国航天，2012(11)：7-14.

[6]阳光.太空探索技术公司及其产品介绍[J].中国航天，2011(6)：15-18.

[7]康开化，丁文华.首枚“猎鹰9”运载火箭升空[J].国际太空，2010(6)：21-26.

[8]单文杰，代坤，康思贝.美国“猎鹰9”可重复使用火箭方案研究[J].国际太空，2012(12)：15-19.

[9]龙雪丹，杨开.美太空探索公司在一级可复用方面取得新进展[J].中国航天，2014(6)：22-25.

[10]翟边.专家解读:商业发射道路能否走得通[J].国防科技工业，2014(12)：22-23.

(编辑：李江涛)

Analysis and Enlightenment of Successful Retrieval of"Falcon 9" Rocket on Offshore Platform

WANG Fang， CHENG Hongwei， PENG Bo

(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology， Beijing 100094, China)

To comprehensively analyze the technical level and development potential of SpaceX’s "Falcon 9" rocket, this paper systemically summarizes the characteristics of SpaceX and the flight tests of "Falcon 9" rocket, discusses the successful experience of SpaceX with Experiential Summary Method and considers the advantages and disadvantages of vertical retrieval on offshore platform and the key technology for reuse. By model assumption and simulation computation, the study results show that, the loss rate of carrying capability of the "Falcon 9" is more than 30% and the launch cost may be reduced by 30%. And then, the paper brings out some key points which should be solved out in follow-up studies of "Falcon 9" development, China’s development strategy in low-cost carrier rocket field and the gap between China and the advanced countries in carrier rocket technology.

"Falcon 9" rocket; vertical takeoff and landing; reuse; low cost

2016-05-16

王 芳(1981—)，女，工程师，博士研究生，主要研究方向为空间运输系统工程总体。wangfang_yfzx@163.com

V11

2095-3828(2016)06-0069-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.014