猎鹰－9火箭复飞任务亮点分析

龙雪丹 杨开（北京航天长征科技信息研究所）

猎鹰－9火箭复飞任务亮点分析

Highlights of Falcon 9 Re-Launch

龙雪丹 杨开（北京航天长征科技信息研究所）

2017年1月14日，美国太空探索技术公司（SpaceX）在范登堡空军基地使用猎鹰－9（Falcon－9）火箭“一箭十星”，成功将铱星公司（IRIDIUM）的首批“下一代铱星”（Iridium NEXT）发射至高625km、倾角86.4°的目标轨道，有效载荷质量约9.5t，这是猎鹰－9有史以来搭载过的质量最大的有效载荷。任务中，火箭一子级成功返回并垂直降落在太平洋海域的海上平台。这是猎鹰－9的第29次发射，第7次成功回收，更是自2016年9月静态点火试验中爆炸后的首次发射。本次发射原计划在2016年9月末进行，受9月1日静态点火爆炸事故的影响而推迟至2017年1月9日，又因天气原因而再次推迟。

猎鹰－9任务飞行时序

1 亮点分析

此次发射由于其特殊性担负了诸多使命，不仅要成功部署“下一代铱星”，更重要的是在任务中验证猎鹰－9静态点火故障改进的效果，并在任务中完成海上回收一子级。

改变射前操作流程

（1）静态点火试验未携带有效载荷

美国太空探索技术公司在每次发射之前都会在发射台上对整箭进行点火试验，而且也是唯一进行这项射前试验的发射服务公司。因为太空探索技术公司一个重要的试验哲学就是，“试验状态要接近飞行状态，以实际飞行的状态对整箭进行试验”。所以在发射台上进行静态点火试验就是对发射全流程的演练，包括推进剂加注，发射倒计时时以及一子级发动机点火（点火过程利用发射牵制系统固定火箭），保证各个系统都能够正常工作。

然而，太空探索技术公司并不是在所有射前点火试验中都会携带载荷，而是要根据用户的要求，可以在试验前或试验后进行星箭对接。之所以要携带卫星进行试验，主要目的是为了缩短发射周期。可以看出，考虑到发射推迟的影响后，携带载荷进行静态点火试验的情况下，发射周期更短。

2016年9月，猎鹰－9地面试验过程发生爆炸，火箭携带的价值2亿美元的以色列阿莫斯－6（Amos－6）卫星也在爆炸中损毁。受此影响，“铱”卫星任务在2017年1月5日的静态点火试验中并没有携带有效载荷。火箭在完成试验后，需要泄出推进剂，在运输起竖发射车放平后，返回水平装配厂房，再完成星箭对接。

（2）调整发射前的推进剂加注过程

2017年1月2日，太空探索技术公司宣布完成了2016年9月的事故调查，并说明了事故原因。官方声明称，调查人员对事故发生前后超过3000个通道的视频和遥测数据进行了搜寻分析，充分利用脐带缆线传回的数据、地面拍摄视频、爆炸碎片等线索，并在该公司加利福尼亚州霍桑总部以及德克萨斯州麦格雷戈试验场进行了多次试验之后，确定了事故原因。最终得出结论∶事故是由于液氧在复合材料缠绕容器（COPV）的内胆与复合材料层之间累积，导致容器破裂后引起爆炸。

猎鹰－9火箭一、二子级均使用复合材料缠绕容器来存储氦气，该容器内胆材料为铝，外层包裹碳纤维复合材料。调查人员发现，事故中找回的该容器内胆发生变形，虽然金属内胆变形并不能直接导致氦瓶爆炸，但会使内胆和复合材料层之间产生空隙，使加注的超低温液氧渗入其中。而且贮箱加压之后，渗入的超低温液氧会不断地在空隙处累积。断裂的碳纤维或摩擦都可能引燃渗入复合材料层内的液氧，导致容器破裂。此外，调查人员确认向复合材料缠绕容器中充入氦的温度足够低，很可能会使超低温液氧固化，形成固态氧（SOX）。这就大大加剧了氧在内胆与复合材料层之间积累和摩擦起火的可能性。在说明事故原因的同时，太空探索技术公司也提出了改进措施。为避免类似事故，该公司称在近期将改变复合材料缠绕容器的技术状态，允许其充入温度更高的氦，将氦气充气操作恢复至之前已完成飞行验证的技术状态，这种容器充气技术状态已经成功应用了700多次。从长期来看，太空探索技术公司将改进容器的设计，防止其产生变形，以便能够使用更快的充气方式。

在此次发射任务中，太空探索技术公司已经调整推进剂的加注过程，在以往猎鹰－9v1.2火箭 的发射任务中，一般是在射前35min同时开始加注超低温液氧和煤油。为了避免再次出现液氧固化引发复合材料缠绕容器损坏的情况，在此次任务中，该公司调整了推进剂的加注过程，在发射前70min开始加注煤油，在发射前45min开始加注液氧。同时，还降低了容器的氦加注速度。

首次在太平洋海域成功回收运载火箭一子级

猎鹰－9火箭一子级回收过程

此次任务后，太空探索技术公司已拥有7枚回收的猎鹰－9火箭一子级，分别在2次陆地回收和5次海上回收中实现。与此前该公司在大西洋完成的4次海上回收不同，本次是首次在太平洋上实现海上回收火箭，平台停泊点距离范登堡空军基地的发射场约370km。本次使用的海上回收平台此前也不是经常“出镜”、停泊在东海岸的“当然我还爱着你”（Of Course I Still Love You），而是留守西海岸的“请看说明书”（Just Read the Instructions）。这也是该驳船首次完成海上回收火箭，上一次是在2016年1月贾森－3（Jason-3）高轨道任务中的一子级回收中使用，当时因着陆时支架失效而回收失败。

此次回收成功，证明历经多次失败与成功回收后，太空探索技术公司相对于较难的火箭一子级海上平台回收技术有了进一步的掌握，日趋成熟。

“一箭十星”拉开“铱”卫星更新换代序幕

本次发射采取“一箭十星”技术，将10颗首批“下一代铱星”送入预定轨道，单颗卫星质量860kg，加上碳纤维卫星支架，共计9.6t，这是猎鹰－9发射过的质量最大的载荷。根据测算数据，此次发射任务条件下，即目标为高625km、倾角87°的圆轨道，并进行海上火箭一子级回收，猎鹰－9v1.2运载能力上限约为12t。

这10颗卫星属于铱星公司的“下一代铱星”，该计划涉及81颗卫星，其中包含66颗用以全面替换现有第一代“铱”卫星的低地球轨道（LEO）通信卫星、6颗在轨备用卫星和9颗地面备用卫星。第二代“铱”卫星计划目标是建立全球卫星通信系统，对整个地面实现100%的持续覆盖。太空探索技术公司在2010年用4.92亿美元的价格签下了铱星公司70颗“下一代铱星”的发射任务。原计划使用7枚猎鹰－9火箭在2015－2017年间完成星座部署。但受该公司总体发射任务推迟的影响，现计划在未来18个月完成部署。

猎鹰－9火箭复飞任务有效载荷

面对第二代“铱”卫星计划，铱星公司和太空探索技术公司都背负了沉重的压力。对于铱星公司而言，由于第一代“铱”卫星星座的卫星原本设计的使用寿命为7～10年，但它们如今已运行了19年之久，因此急需对原有的卫星网络进行一次“大换血”。他们需要在现有卫星失效之前，将新的星座卫星部署完毕。目前，该网络的通信服务已经出现了一定问题，随着时间的推移，问题只会更加严重。另外，铱星公司在部署第一代“铱”卫星星座的卫星时，由于选用的是不同的运载火箭，因此能够迅速完成部署，而此次计划的“下一代铱星”中的81颗卫星已有70颗确定了发射任务，并全部交由太空探索技术公司。按照该公司的发射能力，即使每次发射10颗，也需要14个月才能完成任务。况且铱星公司也不是太空探索技术公司唯一的客户，美国航空航天局（NASA）等重要客户优先于该公司。再加上发射成功的不确定性，如想按期完成任务难度很大。

2 小结

太空探索技术公司在采用新技术和新方法上一向比较大胆，例如∶为提高火箭性能，采用超低温推进剂；为探索重复使用技术，在发射任务中开展验证；为缩短发射周期，整箭携带有效载荷进行静态点火等。但创新带来的问题也是显而易见的，正是由于对新技术的风险评估不到位，才造成了上一次爆炸事故。太空探索技术公司为实现复飞，改变射前操作，调整发射前的推进剂加注过程，不在静态点火试验中携带有效载荷，避免悲剧再现。上述事实再一次告诫我们，新技术的应用不能以牺牲可靠性为代价，新技术、新方法的引入，应充分考虑其附加影响，对实际能够产生的效果和潜在的风险进行详细评估。

太空探索技术公司又一次成功完成了海上平台回收任务，证明其对该技术的掌握越来越成熟，后续更值得关注的是该公司计划在2017年首次利用回收的猎鹰－9火箭一子级再次执行发射任务，有效载荷为欧洲卫星公司（SES）价值数十亿美元的欧洲卫星公司－10通信卫星，一旦发射成功并再次完成回收，将对人类航天技术带来颠覆性变革。

太空探索技术公司历经爆炸事故能够顺利重返航天发射舞台值得庆幸，但他们还需要进一步向客户证明猎鹰－9火箭系统的可靠性。同时，发射任务屡遭推迟也是其需要克服的困难。该公司称，2017年的目标是执行20～24次发射任务，之后每年将增加50%。而其目前发射次数最多的是2016年的8次，发生爆炸之后发射活动被迫终止，开展故障调查和改进。未来，面对高密度的发射计划，太空探索技术公司能否保证其猎鹰－9火箭可靠性仍然是一个挑战，尤其是在考虑到未来将采用回收火箭一子级执行发射任务的情况下。