猎鹰重型火箭的追求：更强大 更便宜 更可靠

文 / 张雪松 王鑫

猎鹰重型火箭原定2013年首飞，然而直到北京时间2018年2月7日凌晨4点45分才从美国卡纳维拉尔角的LC-39A工位发射升空。猎鹰重型成功将樱桃色的特斯拉跑车送入深空轨道。作为当今世界运力最强的火箭，它的发射吸引了全世界的目光。让我们来说说猎鹰重型火箭的光辉成就吧。

▲ 带着红跑起飞

▲ 回收场上的两枚助推器

最强大的运载火箭

猎鹰重型火箭高70米（约20层楼高），宽12.2米，起飞质量1420吨，近地轨道运力63.8吨，是当今世界最强大的运载火箭。太空探索技术公司还没上市，一家靠自有资金的私营公司居然做出来当今世界运载能力最强的运载火箭！这是不是让人有点意外？土星5号和能源号（N-1不算）重型火箭，以及航天飞机和能源公司的暴风雪号航天飞机都是航天迷念念不忘的谈资，然而俱往矣，数风流人数还看今朝，猎鹰重型火箭发射成功后已经成为目前运力最强的火箭。

猎鹰重型火箭之前，运载能力第一的是美国的德尔塔4火箭，它的近地轨道运力为28.79吨。不过和猎鹰重型相比，它就小巫见大巫了。猎鹰重型火箭近地轨道运力高达63.8吨，是他的两倍还多！猎鹰重型火箭的高轨道运力也相当可观，它可以把26.7吨载荷射入地球同步转移轨道，还能把16.8吨载荷送入火星转移轨道，甚至能把3.5吨载荷送到冥王星轨道！

如果你对这些数字没有感觉，我们来一个直观的印象：猎鹰重型火箭的理论运力，能把载150人的波音737-300客机送入近地轨道，如果不是整流罩包络尺寸太小，波音版“航天飞机”就要重现了。它还能把加满燃料的空间站核心舱送入同步转移轨道。2015年7月14日“新视野号”飞掠冥王星，不过它当年用宇宙神5-551火箭发射，质量仅有478千克，上面的仪器载荷更是仅有30.4千克，而“猎鹰重型”能把7倍于新视野号的探测器送到冥王星轨道，这对行星科学家们是多大的好消息啊。

▲ 猎鹰9号-CRS1-发动机关机-碎片

▲ 两枚助推器返回着陆

最便宜的重型火箭

猎鹰重型的强大运力备受关注，太空探索技术公司也一直大肆宣传这是土星5号以来最强的运载火箭，不过它更值得炫耀的是低成本。太空探索技术公司一直是囊中羞涩、精打细算，火箭一贯有低成本的好名声。2011年公司老板艾隆·马斯克就在官方网站上炫耀，说我们猎鹰火箭比一向以价廉出名的中国火箭还便宜，美国式的创新顶呱呱。当年猎鹰9号火箭报价5400万美元，现在猎鹰重型成功后就更厉害了，在价格上把欧美老牌公司的火箭甩出一条街。

马斯克造出猎鹰9号火箭，花了3亿美元，让人大吃一惊。“猎鹰重型”也保持了这一传统，猎鹰重型火箭发射成功后，马斯克忍不住又来炫耀性地忆苦思甜：“猎鹰重型”研制难度真高啊，我们公司曾三度打算取消这个项目！最后我们完成了研制，花了5亿多美元吧。马斯克故作轻松的轻描淡写背后，航天迷们眼镜碎了一地，5亿美元？！我的天啊，阿里安5火箭研制花了80亿美元，现在号称廉价的阿里安6火箭也要40亿美元，这还是20吨级运力的大型火箭，而猎鹰重型可是63.8吨的运力啊。美国宇航局和波音公司正在研制SLS重型火箭，火箭第一阶段运力70吨，它要花多少钱呢？从启动项目到首次发射需要180亿美元，另外一枚SLS发射费用少说也要5亿美元到7亿美元。相比之下，5亿美元美元研制的猎鹰重型火箭，每一次发射只需要9000万美元，这是何等的物美价廉。“猎鹰重型”说自己物美价廉成本最低，自然是当之无愧的。

最可靠的运载火箭

猎鹰重型火箭是一种捆绑式运载火箭，芯一级和助推器总计27台梅林1D液氧煤油发动机。27台发动机是不是很吓人，看到这么多台发动机并联，大家肯定立刻想到了苏联的N-1重型火箭。N-1火箭并联的发动机更多，30台NK-15发动机，结果N-1火箭四次发射全部失败。有了N-1火箭的前车之鉴，大众普遍觉得“猎鹰重型”的可靠性堪忧，然而理论上其实是截然相反的。

▲ “猎鹰重型”矗立在发射台上

猎鹰重型火箭基于猎鹰9号火箭研制，猎鹰9号火箭第一级并联9台梅林1D发动机，9台发动机其实也不少了，它可靠性如何呢？猎鹰9号火箭已经取得了49次任务47次成功的记录，成功率达到了95.9%。值得一提的是，2012年10月8日猎鹰9号火箭执行国际空间站货运的CRS-1任务时，其中一台发动机故障关机，发动机外的保护罩在压力下分崩离析，结果其他8台发动机仍然把龙飞船送到了国际空间站。猎鹰9号火箭即使起飞后30秒有一台、90秒后有两台发动机关机，也能把载荷送入轨道，多发并联的推力冗余能力相当卓越。

多发推力冗余并非猎鹰9号火箭首创，N-1火箭也有推力冗余能力，只不过苏联人的飞控系统实在太烂，成事不足败事有余，反而是火箭失败的元凶。多发推力冗余也有成功的例子，美国20世纪60年代的土星1号火箭和土星5号火箭都是多发并联。1962年11月18日的土星1号第三次发射任务中，为了测试可靠性特意提前关闭了一台H-1发动机，但火箭靠另外7台H-1发动机还是正确入轨了。1968年4月4日土星5号第二次发射，飞行中出现了严重POGO共振，导致两台J-2发动机相继关机，但火箭靠着剩下3台J-2发动机仍然把飞船送入轨道。1970年11月4日发射了著名的阿波罗13号飞船，我们更熟知飞船的危机和传奇的拯救，很少有人留意到飞行时第二级又有一台J-2发动机提前关机，但飞船还是进入了预定轨道，“土星5号”多发冗余性也很出色的。

火箭使用多发并联推力冗余设计，固然有苏联N-1火箭这个反面典型，但也有“土星1号”“土星5号”和“猎鹰9号”三个正面例子，看到多发并联就说可靠性差，只是一种思维定势而已。其实理论上更好理解，多发并联的火箭，单发出问题的概率固然比使用单台发动机的火箭高，但是发动机故障未必导致发射失败。多数发动机故障都是推力不足或是提前关机等问题，对于没有推力冗余的火箭，出现这样的故障发射肯定就失败了，但对于“土星1号”“土星5号”和猎鹰9号火箭，单发故障根本不算事。猎鹰重型火箭有27台梅林1D发动机，冗余性进一步提高，即使更多发动机出现故障也能入轨，发射可靠性其实是大大提高了。

另外，猎鹰系列火箭还独创了火箭第一级回收复用的新路，这同样大大提高了火箭可靠性。现在运载火箭发射成功率不高，比如著名的联盟号火箭也就是97.4%的成功率，但民航飞机的可靠性可就高多了。要是民航机飞行只有97.4%的成功率，飞行100次就要失事2、3次，谁还敢坐飞机啊？！航空航天不分家，波音公司就既造飞机也造火箭，那为什么民航客机就那么可靠呢？无论说波音造火箭用的零部件是次品，还是波音的火箭冗余度太小，或是火箭就是更复杂，都说不过去。飞机重复使用，而火箭一次性发射，才是最根本的区别！重复使用的飞机每次回来都要维修，根据飞行和维护发现的问题改进提高，而一次性的火箭发射出去，只有寥寥无几的遥测信号。即使火箭出现凌空爆炸这样的大问题，也只能盲人摸象一样去排故，真实的故障原因只有老天知道。猎鹰火箭第一级能回收回来，这就不一样了，工程师们可以用现代测量传感器对回收的火箭做“CT”，火箭飞行中的问题和飞行后的状态一目了然。地面“体检”获得的数据比飞行中的遥测信号信息不知多了多少倍，自然更容易改进并提高可靠性。

▲ 27台梅林-1D+发动机

猎鹰重型火箭同样要进行回收，而且回收比例更高。算下来28台发动机的猎鹰重型火箭，要回收三枚第一级箭体和27台火箭发动机，只有第二级箭体和一台真空版梅林1D发动机一次性使用。猎鹰重型火箭起飞级三枚火箭助推段都计划回收，其中火箭第一级两台侧装助推器在卡纳维拉尔角成功着陆，双箭齐落的场面相当科幻；而芯一级本来准备降落到海面回收驳船上，但没有成功。芯一级火箭出现了低级错误，发动机点火剂居然耗尽了，本来打算三台发动机点火反推落船，可只有一台发动机点火，结果芯一级以483公里/小时的速度砸到回收船100米外的海上。当然芯级回收失败瑕不掩瑜，这种低级错误很容易改进，将来“猎鹰重型”发射回收检测复用一条龙，不断迭代改进下去，火箭可靠性怎么会不高呢？毫不夸张的说，假以时日，“猎鹰重型”必将成为最可靠的重型火箭。

▲ 预定的芯一级回收船

出轨的极速跑车

▲ 远离地球的特斯拉跑车和星星侠

猎鹰重型首次发射，载荷居然是一部特斯拉RoadSter跑车。特斯拉是马斯克名下的电动汽车品牌，一辆全新的特斯拉Roadster售价为20万美元。本次上天的这辆车是2009年生产的，当这辆跑车进入轨道后，要伴着摇滚歌星大卫·鲍依的成名曲《太空怪人》在太空飞驰，它将成为史上跑得最快的电动车。科幻迷马斯克为这部跑车添加了很多令人感动的科幻梗：比如它带了一个名为Starman的假人，车上带着《银河系漫游指南》，触摸屏上打出漫游指南中“Don’t Panic”（不要惊慌）的格言，还带着条指南中的万能物品：“毛巾”。“Don’t Panic” 是马斯克定的家规第一条，他教育他的五个小孩不管遇到什么事都不要惊慌；而这次发射的假人还有一个任务，就是要测试航天服的气密性，以便用于以后的载人飞行。另外车上居然还有仿效“旅行者号”的光盘，不过放的是艾萨克·阿西莫夫的经典名著《基地》系列小说。

当然重点不是这个，而是特斯拉跑车出轨了，出轨了！马斯克早早就宣布特斯拉跑车将前往火星轨道，不过实际发射结果让很多人感到困惑：马斯克推特上发文说，特斯拉跑车将越过小行星带，深入到小行星带，看他发的图距离谷神星都不太远了。这么看来，樱桃色的特斯拉跑车是真的出轨了？猎鹰重型火箭打飞了红色跑车，这火箭入轨精度差的可不是一点半点，亏你上面还说它是最可靠的火箭。其实不然，早在发射前马斯克就已经改变了方案，表示这次要耗尽关机而不是程序关机，换句话说就是烧光燃料，跑车打到哪里算哪里，这种先射箭后画靶子的方式，总不能说跑车出轨吧。

猎鹰重型发射成功后，马斯克在推特上发文发图表示，特斯拉跑车进入近日点0.98天文单位、远日点2.61天文单位的绕日椭圆轨道，不过他还画蛇添足的加了一行C3 Earth 12.0。笔者第一眼看到这图就起了疑心，C3=12，能打那么远，不对劲吧。果然，接下来被马斯克和太空探索技术公司抢了风头的美国宇航局就出来打脸了。美国宇航局下属的喷气推进实验室（JPL）发布跑车轨道数据，近日点0.986，远地点1.667天文单位，轨道周期586天，特斯拉跑车还真“出轨”了。哈哈，马斯克难得出了次洋相，先射箭后画靶子也能出轨，这也算是千古奇闻吧。

相关链接：猎鹰重型火箭的可复用设计

猎鹰重型火箭的可复用设计，使得它的发射报价较一次性使用火箭大大降低，因而虽然其眼下订单不足，但未来依旧值得看好。

猎鹰重型火箭全箭28台发动机，回收其中27台（火箭二级1台发动机不回收），若以火箭发动机复用为指标，复用率为96.4%，从这个角度来讲，这和完全复用区别已经不大。当然回收不仅可以让火箭变得“好用”，也可以让发射变得“好看”。猎鹰重型火箭发射的可观赏性在当今运载火箭领域可谓无出其右，仅三发同时回收这一壮观景象就值得大书特书。但由于猎鹰重型火箭已经取消了交叉燃料输送技术，转而采用类似重型德尔塔4火箭的芯级节流方案。因此目前主要的发射-回收模式将为助推级返回发射场，芯级着船。因为芯级节流，导致分离高度远高于现有猎鹰9号火箭，返场运力损失很大，因此全部返场并不划算；另一方面考虑到SpaceX公司在东海岸仅有一艘回收驳船，因此全部着船回收短期也不现实。其实抛开发动机并联设计来看，猎鹰重型火箭的设计上与联合发射联盟的重型德尔塔4火箭存在诸多相似之处，尤其是这个标志性的助推器正头锥设计和芯级节流方案。更巧合的是这两款火箭目前分列现役运载火箭运力一、二名，侧面证明了通用芯级结构火箭的生命力。

▲ 猎鹰重型和德尔塔4火箭对比图，重型德尔塔4起飞40秒后就将节流至55%，直至助推器分离后才重新恢复满推力

猎鹰重型首飞箭中的两枚助推器都是用回收的猎鹰9号火箭一级改装而来，也就是二手助推器。也是常说的“芯级变助推”思路，这样芯级和助推器可以最大限度通用各种部件，从而缩减生产线，简化设计，甚至降低成本。美国重型德尔塔4和俄罗斯的安加拉A5都采用这种设计思路。只不过这两种火箭并不能回收，无法把回收芯级改成助推，而是在芯级基础上“派生”助推，最大限度共用生产设备和零部件。除此之外也有一类运载火箭，采用通用化或是系列化的思路，也是意图在各种构型之间尽可能的共用一些模块，减少生产线压力。比如海射公司的“天顶”火箭其实就派生自苏联“能源”火箭的助推器，而我国长征五号安装了两台YF-100的助推器也与长征七号的芯级有着千丝万缕的联系。

猎鹰重型火箭在回收状态下的近地轨道运力为30吨（2017年国际宇航大会上发布的数据），依旧是现役最强火箭，这对目前甚嚣尘上的“火箭回收有损运力”是一次有力的回击，也就是说一款火箭在回收状态下，依旧能以极低成本发射所有商业火箭所能发射的载荷，那么为什么不回收呢？

2018年2月7日的这次首射，不仅使猎鹰重型一举夺下“现役运载火箭之王”的桂冠，更使现役火箭的最大低地轨道运力纪录直接翻倍。而该纪录有望保持到2019年底太空发射系统（SLS）首射之前。猎鹰重型火箭27发并联模式的成功，不仅是一定程度上为近50年前4射4炸的俄罗斯N1火箭翻案，而最关键的是为SpaceX公司未来规划中的BFR运载火箭起飞级31发并联的可行性提供了充足的信心。