鹰击长空：探秘“猎鹰重型”运载火箭

杨俊峰

2018年2月6日下午3点45分（美国东部时间），美国太空探索技术公司（SpaceX）研制的“猎鹰重型”（Falcon Heavy）运载火箭成功进行了首次发射试验，将一辆同为该公司研制的特斯拉电动汽车送入火星转移轨道。这次发射成功的消息一夜之间刷爆“朋友圈”，世界各国媒体都毫不吝啬赞美之辞。这究竟是为什么呢？

“拼凑”出的现役 载荷能力最强

“猎鹰重型”运载火箭，近地轨道有效载荷（LEO）为63.8吨，这项数据仅次于美苏太空争霸时代研制的“土星五号”和“能源号”运载火箭。在全球现役火箭中，“猎鹰重型”的载荷能力是当之无愧的NO.1。

“猎鹰重型”运载火箭是如何实现如此强大的载荷指标的呢？这与其非常独特的总体设计有关。“猎鹰重型”的第一级（又称“起飞级”），是一种由3枚“猎鹰9号”运载火箭的第一级横向并联而组成的“侧芯级-中间芯级-侧芯级”布局。通俗地讲，就是把3枚“猎鹰9号”捆绑在一起，这使“猎鹰重型”的起飞推力和有效载荷重量是“猎鹰9号”的几乎三倍。

1+1+1=3，看起来很简单，但在工程实践中却困难重重。首先，将3枚“猎鹰9号”的第一级捆绑并联，除了要安装结实的连接机构，还得设计全新的侧向冷分离系统。其次，3个芯级并联飞行时，必须充分考虑推力分配控制、共振特性等难题。最重要的是，1枚“猎鹰9号”的第一级安装了9台“梅林-1D”液氧-煤油火箭发动机，3个芯级并联就是27台发动机，如何保证这么多发动机同时正常工作，是一项前所未有的巨大挑战。

在“猎鹰重型”之前，只有苏联为登月计划准备的N-1超重型运载火箭的第一级采用了30台发动机并联布局，结果5次试射全部失败。这其实是一个很简单的概率問题：假如单台发动机故障概率是1%，那么10台发动机同时工作时出现故障的概率就是9.56%，整体可靠性明显降低。再加上多发并联会带来更加复杂的耦合振动等一系列问题，航天界一直都将运载火箭第一级并联多于10台发动机的思路视为忌讳。

如果说当年苏联因为无力研制新型大推力火箭发动机，不得不剑走偏锋尝试“推力不够数量凑”，那么“猎鹰重型”为何要冒同样风险选择27台发动机并联布局？原因有两个：一是SpaceX手上同样缺乏更大推力的发动机型号;二是如此设计可以充分利用“猎鹰9号”的现成技术，大幅降低成本和难度。“梅林-1D”火箭发动机虽然推力不大，但得益于结构简单可靠，单发故障率很低，因而有效保证了多发并联的可靠性。另外，“梅林-1D”的推力可大范围调节，加上如今计算机控制技术突飞猛进，即使“猎鹰重型”点火后有1台发动机完全罢工，也能依靠其他发动机实时增补推力保持总推力平衡（即“多冗余度技术”）。诸多先进技术，使得27台发动机并联的“猎鹰重型”的可靠性风险被控制在可接受的水平。

前所未有：多枚火箭同时回收

通过这些艰难的努力，“猎鹰重型”最终成功实现了首发。但是，“猎鹰重型”最值得称道之处，并非“现役火箭中载荷能力最强”这个头衔，而是它在航天领域率先成功应用的火箭垂直降落回收技术。这次“猎鹰重型”发射成功，进一步证明了该技术完全可行，未来将能够应用到各种重型运载火箭的设计和使用中，以显著降低发射成本。

众所周知，SpaceX研制的 “猎鹰9号”是目前世界上唯一实现第一级整体回收并重复使用的运载火箭。整个回收程序较为复杂，共有3次点火：①在一、二级冷分离后（高度超过100千米，速度超过1500米/秒），点燃9台发动机中的1台进行“减速回推”，打开顶部的4个格栅翼;②进入大气层后（高度低于60千米，速度低于800米/秒），点燃3台发动机进行“再入推进”，开始利用4个格栅翼调整姿态;③接近地面时（高度低于10千米，速度低于200米/秒），打开4条着陆支撑腿，点燃1台发动机进行“着陆推进”，利用略低于火箭重量的反向推力，最终让火箭在接地瞬间速度降为零，实现垂直软着陆。

“猎鹰9号”可回收的第一级高度超过14层楼，重达数十吨，最大速度超过1500米/秒，预定的降落回收区域仅几十米宽。这好比“在狂风中让橡胶扫帚直立于手掌上”，对飞行姿态的控制精度要求极高。目前，“猎鹰9号”已经成功进行了超过10次的回收作业。考虑到“猎鹰重型”的并联构型，其回收过程可以看作是3枚“猎鹰9号”同时进行回收作业，总体技术难度没有本质区别，只是对组织协调能力的要求更高。

无论如何，“猎鹰重型”首次尝试的3枚芯级火箭同时回收降落，还是有史以来的第一次。在火箭一、二级分离后，两个侧芯级成功地同时垂直降落到陆地着陆场。而中间芯级因燃料不足，用于减速的3台发动机中仅剩1台正常工作，以约480千米/时的速度坠落到距离海上着陆场约100米的大海中。即便如此，两个侧芯级火箭同时成功降落到同一地点的画面，依然是科幻般的壮观场景，令世界各地的航天爱好者心潮澎湃。

盛誉之下仍需努力

追求运载火箭等航天器的可重復使用能力，是为了尽可能降低航天发射任务的资源成本，提高任务效率。目前主流的运载火箭和载人飞船，例如美国“土星五号”运载火箭与“阿波罗”飞船、俄罗斯“联盟”系列运载火箭与飞船、中国“长征-2F”运载火箭与“神舟”飞船等，都是一次性使用的，火箭燃料耗尽后直接坠落烧毁，飞船返航后也随即报废，这就导致任务成本很难降下来。近地载人飞行任务还好说，诸如重返月球、登陆火星等耗资巨大的深空探测任务，几乎无法采用这种模式，因为成本实在太高昂了，即便是财力雄厚的美国也无力再来一次“阿波罗”计划。

而“猎鹰重型”全箭共28台发动机，除了第二级（又称“上面级”）的那一台“梅林-1D”发动机不回收，第一级的27台全部设计为可回收重复使用，设计复用率高达27/28，很接近完全重复使用了。这次发射的“猎鹰重型”的3个芯级中，除了中间芯级是全新制造的，两个侧芯级都是由先前发射任务完成后回收的“猎鹰9号”一级改装而来。换言之，“猎鹰重型”这个全新型号的首飞火箭，其实是个充分利用“回收品”改造出来的“半二手”火箭，听起来是不是很不可思议？

除了超高的组件重复使用率，“猎鹰重型”从头到尾只使用单一型号发动机，资源得以高度集中，便于大规模、高效率批量生产，零部件通用率很高，进一步降低了制造和维护成本。种种措施，使未来“猎鹰重型”将2吨载荷送入地球同步轨道的成本只需要不到1亿美元，是其他重型运载火箭的五分之一。

然而“成也萧何败也萧何”，正如SpaceX公司负责人马斯克自己所言，“猎鹰重型”最大的问题同样来自动力系统。现在采用的3枚“猎鹰9号”多发并联布局虽然实现了低成本和高载荷，但芯级直径只有3.66米，严重限制了所搭载的载荷尺寸，导致实用价值大打折扣。对比之下，尽管中国“长征五号”运载火箭的有效载荷为25吨，但是“长征五号”的芯级直径为5米，更适合发射空间站核心舱、资源卫星等体积较大的载荷。“猎鹰重型”如果要增大芯级直径，则必须采用全新的大推力发动机;但这势必又会大幅抬高造价，丧失低成本这个核心优势。要彻底解决这个矛盾，还有很长的路要走。

运载火箭本质上是一种高成本、低效率的交通运输工具。尽管商业化背景的“猎鹰重型”还存在不少先天缺点，可靠性和实用性还需要进一步验证，但SpaceX让人们第一次如此清晰地看到了降低航天发射资源门槛的希望，这无疑将大大加快人类探索和利用太空的脚步。这就是它令全世界瞩目的根本原因。