“猎鹰重型”火箭成功首飞及其未来应用前景分析

龙雪丹 曲晶 杨开 （北京航天长征科技信息研究所）

北京时间2018年2月7日4：45，美国太空探索技术公司（SpaceX）在位于卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射了首枚“猎鹰重型”火箭，这是目前世界上运载能力最大的运载火箭，任务中成功陆地回收了两枚助推器，但芯级海上回收失败。该任务引起了国内外的广泛关注。

1 首次验证飞行情况

此次发射的首枚“猎鹰重型”火箭，将一辆改装过的红色“特斯拉”电动跑车发射升空，任务中火箭运行情况良好，按照预定目标完成了火箭的一级点火、升空、助推器分离、芯级与二子级分离、二子级点火等动作，虽然最终火箭未将携带的有效载荷部署到目标的地火转移轨道，而是将其送入一条地球逃逸轨道，但本次任务仍然实现了大部分验证目标。

首飞任务中对芯级、两枚助推器进行了回收，其中两枚助推器完成工作后与芯级分离，随后掉头飞回位于卡纳维拉尔角的着陆平台，并呈编队方式几乎同时着陆。芯级在与二子级分离后，瞄准部署在大西洋上名为“当然我依然爱你”的海上平台进行回收。芯级在返回过程中，原计划应该有3台发动机重启，但实际仅有1台点火成功，芯级最后以480km/h的速度坠落在海面上，落点距离海上回收平台大约100m，未能实现回收。

首飞“猎鹰重型”火箭捆绑的两枚助推器为此前太空探索技术公司回收的猎鹰－9火箭一子级，分别是2016年5月27日泰国通信卫星－8（Thaicom－8）发射任务中通过海上回收的B1023.2，以及2016年7月18日龙－CRS－9（Dragon－CRS－9）国际空间站任务中通过陆地回收的B1025.2。为了实现与芯级的连接，两枚助推器分别加装了鼻锥和前、后安装点，同时芯级为了承受额外的应力做了重新设计，增加了结构强度。但未使用此前宣称的交叉输送技术。

“猎鹰重型”火箭首飞搭载的“特斯拉”跑车

据报道，作为此次有效载荷的“特斯拉”电动跑车的质量约为1250kg，长度将近3.9m，宽约1.7m，远远低于“猎鹰重型”火箭的运载能力和整流罩空间。

“猎鹰重型”火箭的首次试验飞行时间一推再推，由原定的2013年推迟到现在，其研制进展并不一帆风顺。马斯克曾承认构建重型火箭的困难远超出他们的想象，有许多技术无法在地面试验中进行验证，导致其首飞时间比最初计划推迟了几年。在发射任务结束后的发布会上，马斯克表示因研制难度过大，公司曾3次想取消“猎鹰重型”项目。同时，马斯克称“猎鹰重型”火箭的研制投入大约为5亿美元。

2 “猎鹰重型”火箭技术方案及特点

火箭方案概述

“猎鹰重型”火箭项目于2011年4月正式启动，是在猎鹰－9火箭基础上研制的，其设计目标是将每磅有效载荷送入轨道的成本从10000美元降低到1000美元，原本计划可满足载人飞行的要求，能够发射太空探索技术公司自行研制的“天龙座”飞船，用于载人旅行及深空探索。不过在首飞任务时，公司透露将取消“猎鹰重型”火箭的载人飞行方案。成本目标目前也未达到。

“猎鹰重型”火箭采用二级结构，捆绑2枚助推器，火箭全长70m，最大直径12.2m，起飞推力22819kN，火箭的低地球轨道（LEO）运载能力63.8t，地球同步转移轨道（GTO）运载能力26.7t，是NASA航天飞机运货能力的2倍。“猎鹰重型”火箭的标称运载能力随着其研制的推进而不断演变。

本次试飞的主要目的是验证系统设计的可行性，所搭载的有效载荷质量与其标称的运载能力相差甚远。“猎鹰重型”火箭当前可能还达不到官方宣称的运载能力。

“猎鹰重型”火箭标称运载能力演变历程和猎鹰－9火箭运载能力对比 t

（1）一子级

“猎鹰重型”火箭的一子级由3个改进型猎鹰－9一子级捆绑组成，即采用芯级加2枚捆绑助推器的构型。芯级和每枚助推器都使用9台隼－1D发动机。

隼－1D发动机是在隼－1C基础上研制的，为执行未来载人任务采用结构和热防护安全设计。应用于猎鹰－9火箭一子级和“猎鹰重型”火箭的芯级及助推级。隼－1D发动机使用了先进的制造技术和材料，具备很好的耐久性和很高的余量，允许其在更高的推力、压力、温度条件下运行。改进之后，用于一子级的隼－1D发动机最大海平面推力达到756kN，真空推力达到825kN，比“隼”发动机初始型提升16%。

隼－1D发动机

“猎鹰重型”运载火箭总体技术参数

“猎鹰重型”运载火箭各级技术参数

隼－1D发动机技术参数

隼－1D真空发动机

（2）二子级

“猎鹰重型”火箭二子级采用1台隼－1D真空发动机，基本状态与隼－1D发动机类似，但为了适应真空飞行工况，采用面积比达到117﹕1的大喷管。这使得该发动机比冲高达348s，推力也提高到了934kN。此发动机具备多次点火的能力，大大增强了其对于任务的适应能力。

隼－1D真空发动机技术参数

（3）整流罩

“猎鹰重型”火箭的整流罩与猎鹰－9火箭整流罩一致。采用两瓣式构型，使用蜂窝铝芯材料和碳纤维面板制造。整流罩高13.1m，直径5.2m，质量约2.5t。纵向连接采用机械锁机构锁紧，接收到分离指令后，高压氦气驱动机械锁，解除纵向连接，高压氦气继续驱动推冲器（4个）直至将两瓣整流罩推开。

“猎鹰重型”火箭整流罩

技术特点

（1）采用重复使用技术

为从根本上解决航天发射成本高、效率低的问题，太空探索技术公司于2011年宣布在现有猎鹰－9火箭基础上，分阶段验证可重复使用技术。公司总裁格温·肖特维尔称，重复使用技术的经济可行性可通过快速复用才能体现。复用一子级的成本不到新造一子级的一半，并且未来随着维修阶段的翻新工作不断减少，有望节省更多的成本。

目前，太空探索技术公司已实现猎鹰－9火箭一子级的可重复使用，在此次“猎鹰重型”火箭首飞任务中也成功完成了2枚助推器的回收。不过，作为试验验证飞行任务，未能成功实现芯级的回收。但“猎鹰重型”火箭从整体上大幅提升重复使用率，以发动机数量而言，全箭28台发动机中有27台能够实现复用，复用率达到了96%。

另外，太空探索技术公司还在探索整流罩的重复使用技术，整流罩的成本约600万美元。在任务结束后的发布会上，马斯克表示整流罩的回收难度比较大，希望在未来半年时间内解决这一难题。

“猎鹰重型”火箭投入使用后，以其强大的运载能力，再利用重复使用技术，将能够为美国国家航空航天局（NASA）的深空探索和发展目标提供能力支撑，对经济可承受性产生实质性的影响。

（2）采用新研的自主飞行安全系统

为了实现“猎鹰重型”火箭的回收任务，采用了新研发的“自主飞行安全系统”（AFSS）。在“猎鹰重型”火箭发射任务中，芯级和2枚助推器都将受控返回地面。但是受设备限制，负责卡纳维拉尔角发射测控跟踪任务的美国空军第45航天联队只能同时跟踪2个飞行目标。而采用“自主飞行安全系统”则不会受到跟踪目标数量的限制，依靠箭上的GPS设备来判断火箭是否偏离了预定的安全飞行路线，如果出现了偏离无法挽救后，该系统就会自行下达自毁指令。

这种自主化的跟踪技术不仅可以大幅降低发射成本，而且还可以缩短发射时间。该系统只需要82名工作人员，且可以简化大部分地面设施，而旧系统则需要245名工作人员。在显著降低发射成本的同时，有效缩短了空军用来准备发射的时间。

此外，和传统跟踪系统相比，“自主飞行安全系统”还能够扩展跟踪范围。该系统下达指令的速度更快，相比人工操作，自主化操作方式能够提前数秒完成火箭的自毁。如果应用到载人火箭上，该系统的运作方式大致相同，但在火箭自毁之前，将为乘员逃离留出时间。

（3）具备高安全性的冗余设计

“猎鹰重型”运载火箭继承了猎鹰－9火箭的冗余设计，能够在多台发动机发生故障的情况下继续工作并完成发射任务，结构安全余量设计达40%，而其他不载人火箭的安全余量为25%。除满足货物运输的发射需求外，也能够满足载人航天飞行的要求。

该设计在猎鹰－9火箭上得以验证。2012年10月7日，猎鹰－9火箭在执行国际空间站任务中，火箭飞行约79s后，一子级1台发动机突然失压，发动机关机。随后，为保护一子级发动机和其他发动机，发动机舱开始释放压力，故障发动机未发生爆炸，并能持续收到其数据，其他8台发动机工作正常。在这种情况下依然成功完成了主要任务，证明了火箭的冗余设计的有效性。

（4）计划上面级采用先进甲烷发动机

“猎鹰重型”火箭是一种全面使用液氧/煤油发动机的火箭，但计划未来上面级使用该公司自主研制的先进甲烷发动机—“猛禽”，以实现未来使用“猎鹰重型”运载火箭执行火星探测任务的目标。

太空探索技术公司在2009年提出“猛禽”发动机的研制计划，最初选择“液氧/煤油”作为推进剂，后改为“液氧/甲烷”，计划用于猎鹰－9和“猎鹰重型”火箭的上面级。该发动机将为可重复使用液体火箭发动机，采用全流量分级燃烧循环方式，其氧化剂和燃料在进入燃烧室前均呈气态，最初设计推力为3000kN，但在2017年宣布对“猛禽”发动机的设计进行了修改，减小了设计尺寸，推力也从3000kN减小到1700kN。

目前，该公司已对“猛禽”发动机进行了42次重要试车，累计点火时长达1200s，单次最长达100s。但马斯克表示该发动机的工作时间可以远超100s，目前100s的水平只是受试车用的贮箱尺寸所限。

（5）曾计划采用交叉输送技术，未来该技术是否取消尚不确定

“猎鹰重型”火箭在最初提出方案时就宣布要采用“交叉输送”技术，即采用外围捆绑助推器向中间芯级“交叉输送”推进剂的方式。

根据太空探索技术公司的介绍，“猎鹰重型”火箭将是一种使用“交叉输送”技术的运载火箭，它可以在火箭助推器和芯级之间实现推进剂的对流，可保证助推器分离时，芯级仍有最多的推进剂，使其达到三级火箭的性能。虽然通过发动机推力调节也可以实现火箭芯级保留更多推进剂，但效果上远不如使用“交叉输送”技术将助推器剩余推进剂输送给芯级的效果。使用“交叉输送”技术近地轨道运载能力能够提高约20%。此外，在发射较轻的载荷时，可以关闭“交叉输送”技术，这样，虽然火箭的输送能力有所下降，但减少了复杂性，降低了事故概率。

鉴于交叉输送仍有大量关键技术需要解决，“猎鹰重型”火箭在首飞中会暂时放弃交叉输送，而采用了发动机推进剂节流方式，这将有助于降低火箭的复杂性，减少事故发生的概率。未来该技术是否取消尚不确定。

3 未来应用前景分析

目标可能瞄准大型军用载荷，放弃载人方案

目前，“猎鹰重型”火箭面向的市场尚不明朗，由于大型商业卫星需求近年来明显减少，静地轨道通信卫星发射需求减少尤为显著，因此推断“猎鹰重型”火箭可能会转而瞄准大型国家军用载荷发射任务。马斯克此前曾透露，在本次“猎鹰重型”火箭验证飞行任务中，二子级要经过一段长达6h的滑行段，并进行最后一次点火，这就是为了对直接把有效载荷送入静地轨道的任务进行模拟。而直接把有效载荷送入静地轨道正是美国空军和国家侦察办公室对某些有效载荷的发射要求。

另外，确定放弃载人方案，太空探索技术公司曾在去年宣布将于2018年利用“猎鹰重型”火箭发射一艘载有2名私人旅客的天龙座载人飞船实现月球旅行。按照规划，“月球旅行”时间大约一周，预计旅程为50～65×104km，飞船将掠过月球轨道，此后返回地球。但马斯克在此次“猎鹰重型”火箭验证飞行前夕的一次电话记者会上表示，“由于该公司目前的研制重点在‘大型猎鹰火箭’（BFR）项目上，并且该项目进展顺利，因此未来‘猎鹰重型’项目将很有可能不再发展载人能力，除非在开展‘大型猎鹰火箭’项目中出现严重推迟，才有可能考虑‘猎鹰重型’火箭的载人。”2016年太空探索技术公司提出的“星际运输系统”，2017年对其进行了修改，将其重新命名为“大型猎鹰火箭”，马斯克在第68届国际宇航联大会上发布了其设计方案：助推级（火箭）部分直径9.14m，高度106m，采用31台猛禽发动机；飞船部分使用6台“猛禽”发动机。整个系统LEO运载能力可以达到150t。飞船部分还可以在轨补加燃料，以执行近地轨道以远的任务。目标是在2022年发射至少2艘登陆火星的货运飞船，2024年发射4艘飞船，其中2艘载人。

为美国政府提供重要机遇，实现经济可负担和可持续的空间探索和发展目标

目前，美国的主流大型运载火箭包括传统发射供应商联合发射联盟公司（ULA）的宇宙神－5、德尔他－4及太空探索技术公司的猎鹰－9。宇宙神－5系列火箭近地轨道运载能力覆盖7.34～19.05t，同步转移轨道运载能力覆盖4.95～13t，单发价格最低为1.09亿美元。德尔他－4系列近地轨道运载能力覆盖9.1～23t，同步转移轨道能力覆盖4.2～13.1t。运载能力最大的德尔他－4H运载火箭，单发价格达4.6亿美元。猎鹰－9火箭近地轨道运载能力22.8t，地球同步转移轨道运载能力8.3t，最低发射价格为6200万美元。“猎鹰重型”火箭近地轨道运载能力达63.8t，地球同步转移轨道运载能力26.7t，执行GTO轨道8t任务的发射价格仅为9千万美元。

综上，一旦“猎鹰重型”火箭验证了其可靠性，并且最终投入使用，将是目前世界上运载能力最大的火箭，同时也将美国运载能力提升至一个新的高度。将能够为NASA的深空探索和发展目标提供能力支撑，并对经济可承受性产生实质性的影响。同时，加剧美国国内火箭市场的竞争，进而引发运载器技术领域的良性竞争，进一步支撑美国在与其他航天大国的航天运载器技术竞赛中占得先机，进而协助美国实现领跑全球航天运输的战略意图。即便在美国未来规划的70t“航天运输系统”（SLS）投入使用后，由于其占据了价格优势，以及面向受众的多元化，“猎鹰重型”火箭的市场竞争力仍然较为乐观。

运载能力的大幅提升将有助于空间载荷的发展

运载能力提升之后，可以将更大的载荷送入轨道，拓展空间技术应用场景。伴随着质量和体积的增大，有效载荷能够携带仪器设备更多，包括更大的天线、功率更高的转发器、分辨率更高的成像设备等等，从而使性能得到大幅提升，扩展相关技术的应用场景。最终实现能力牵引需求发展的效果。例如，比格罗公司正在研制充气式空间站，小型充气模块已经在国际空间站上开展验证，其规划的最大模块可达65～70t，如果没有合适的进入空间能力提供支持，那么这种方案可能很难实现。所以，“猎鹰重型”火箭所能提供的大型载荷运载能力将是牵引未来航天技术发展的重要动力。

太空探索技术公司已为“猎鹰重型”火箭签订了4份发射合同，其中美国卫讯公司的卫讯－3（ViaSat－3）和阿拉伯卫星通信组织的阿拉伯卫星－6A（Arabsat－6A）的质量分别为6.4t和6t，远未接近官方宣称的26.7t。另外，考虑到太空探索技术公司宣称猎鹰－9火箭的GTO运载能力为8.3t，而实际发射过质量最大的GTO载荷为6.7t。所以，“猎鹰重型”火箭的运载能力目前很可能达不到官方宣称的标准，未来还需要像猎鹰－9火箭一样进行技术迭代。

4 小结

“猎鹰重型”火箭在充分利用已有的猎鹰－9火箭成熟技术的基础上，通过批量生产和一子级回收技术降低发射成本。该火箭将瞄准大型载荷、多任务飞行，放弃载人方案，可能参与竞争美国国家军用载荷发射任务，一旦投入使用，将成为目前全球运载能力最大的运载火箭，且具备低成本优势，将为美国政府提供重要发展机遇，实现经济可负担和可持续的空间探索发展目标，并对未来发射市场态势产生重大影响，但其系统的可靠性尚待验证。