猎鹰重型火箭，缘何狂揽NASA十年订单？

2023-02-20田丰

太空探索 2023年1期

文/田丰

▲ USSF-44任务中助推器回收

2022年11月2日，太空探索技术公司在肯尼迪航天中心成功发射猎鹰重型火箭，将美国太空军多颗军用卫星送入轨道，并成功回收两枚助推器。这是“猎鹰重型”的第4次发射，但距离上次发射已有3年多。同时，这也是太空探索技术公司2022年的第50次发射。报道称，美国太空军对这次发射设置代号为USSF-44，具体任务内容保密。这次发射进一步验证了该火箭27发并联构型的可靠性，同时为后续多个深空发射任务积累了经验和可靠性。

在如今星舰首飞进入倒计时的时候，“猎鹰重型”的一次发射似乎并无亮点。但由于星舰的设计方案激进，首飞已延宕一年有余。因此，太空探索技术公司在承接那些高轨高价值载荷合同时，实际只能仰仗这款已经全无热度的“准重型”火箭，今天我们就来回顾一下这款采用“推力不够数量凑”思路的火箭，是如何从“猎鹰9”的衍生品逐步演变成美国深空任务的“股肱之臣”的。

并联设计研发多年

“猎鹰重型”设计上最大的特点就是采用了“通用芯级设计”，将已有火箭的芯一级改造成助推器，与原有芯一级并联发射，从而简化助推器设计和生产，并大幅增加运力。早在太空探索技术公司成立第二年，也就是2003年，这款并联火箭的概念就已被提出，但当时并联的是3枚猎鹰1火箭芯一级，而非最终的猎鹰9火箭。

2011年，太空探索技术公司正式推出基于“猎鹰9”的“猎鹰重型”方案。自2013年起，该公司每年初都豪言要首飞，结果年年推迟，设计改了又改，首飞推了又推，直到2018年2月6日才终于首飞成功。由于业界对其27发并联的设计心有余悸，首飞并无正式载荷，仅搭载了公司创始人埃隆·马斯克的特斯拉跑车和一个假人。凭借此次发射，“猎鹰重型”成为现役运载火箭运力之王，该记录维持近5年之久，直到2022年11月才被推迟多年的SLS超越。这次首飞的载荷从航天技术角度讲毫无意义，但却是营销学上的一个极佳范例，利用一款没有客户敢用的首飞试验火箭和一款本应放在库房里吃灰的电动跑车，近乎于0成本的同时为旗下两家公司打了广告。

相对于同为通用芯级设计的其他火箭，“猎鹰重型”的设计颇具特色，首先是助推器分离和一二级分离均采用了“冷分离”机构。一直以来，火工品驱动的“热分离”机构成本低、结构简单、工作可靠，广泛应用在各种运载火箭上。但是猎鹰系列火箭由于要回收，因此普遍采用氮气喷射，机械式推杆等无损冷分离方案，目前猎鹰9系列火箭已执行近200次发射，却陷入“空有屠龙刀，却无龙可屠”的尴尬境地，订单并未如预想一样纷至沓来。主要原因有三：首先是运力对于传统商业客户偏大；其次是一次发射成功的可靠性仍让美国宇航局和军方心存疑虑；还有，性价比不如“猎鹰9”突出。

▲ 2011年，“猎鹰重型”首次发布会，听众寥寥，模型粗糙

▲ “猎鹰重型”首飞载荷和整流罩，可见其整流罩实际尺寸

事实上，美国空军和国家侦察局轨，可以节省大量卫星推进剂，可将卫星在轨寿命从15年延长至18～20年。此次发射中“猎鹰重型”再度改版，全面基于2018年4月首飞的Block 5型猎鹰9改进而来，推力提升，运力提升，全面换用了钛合金格栅舵，改进发动机舱防热结构，换用新型箭体涂料。

2019年6月25日，“猎鹰重型”从未因冷分离失效而导致任务失败。而“猎鹰重型”的侧向助推器冷分离机构也延续了该思路。

猎鹰重型火箭运力指标变化表（单位：公吨）

除此之外，“猎鹰重型”最初曾规划采用“交叉燃料输送”技术，该技术可在上升段实现助推器推进剂向芯级转移，从而使助推器更早关机分离，最终提升运力。但考虑技术风险和运力需求，最终采用了更稳妥但效果较差的芯级节流方案。

当然，说起这几年最关键变化，主要在于运力，“猎鹰重型”基于“猎鹰9”芯一级并联而来，而“猎鹰9”从最初的1.0版本，一路升级至Block 5型，近地轨道运力从不足10吨一路飙升至22.8吨，而“猎鹰重型”的运力也借此机会水涨船高，具体变化详见下表。

首飞过后更加可靠

首飞的喧嚣过后，“猎鹰重型”（NRO）确有发射需求，尤其是NRO著名的锁眼（Keyhole）、导师（Mentor）等间谍卫星。但NRO载荷历来以“贵”出名，载荷造价堪比等身黄金，而通常一型火箭的前3次发射都具备较大风险，因此仅成功发射一次的“猎鹰重型”难言可靠，太空探索技术公司仍需一次高水平的正式任务证明其可靠性。

于是，Arabsat-6A通讯卫星成为“猎鹰重型”的首个正式载荷，该合同签订于2015年，当时猎鹰9火箭1.1版的同步转移轨道运力仅有4.85吨，6.46吨的卫星选用“猎鹰重型”合情合理。然而世殊时异，“猎鹰9”在4年间不断迭代升级，运力一路飙升至8.3吨，已轻松涵盖6吨级卫星。但太空探索技术坚持用“猎鹰重型”发射，任务中卫星被送入一条“超同步轨道”，远地点高达9万千米，远高于正常的3.6万千米。更高的远地点便于卫星圆

第3次发射，这是一次打包发射，包含美国军方、美国宇航局和部分企业的多种载荷，因此有多个分离轨道。此次任务中火箭二级演示了长时间在轨滑行和重复点火能力。凭借此次任务，“猎鹰重型”获得了“国家安全发射”（NSSL）计划的认证，可以发射敏感涉军载荷，自此开启了高价值、高轨道、高质量载荷发射订单的斩获之路。2019年，由于太空探索技术公司将研发重心转移至星舰，猎鹰9系列火箭的设计冻结，不再进行改进和挖潜。至此，“猎鹰重型”的性能也得以固定。最终猎鹰重型火箭高70米（约20层楼高），直径3.66米，宽12.2米，起飞质量1420吨，起飞推力2200吨，标称近地轨道运力为63.8吨。“猎鹰重型”的性能虽然已经定格，但其销路却反而打开，尤其是“虎口夺食”般抢下了两张美国宇航局“嫡子”的任务订单。

▲ “猎鹰重型”首飞，清晰可见芯级节流

截胡“嫡子”两大订单

SLS这款集美国宇航局万千宠爱于一身，由美国国会在经费、政策上“双重”护航，基于航天飞机成熟技术“堆砌”而成的重型火箭，立项伊始就为其“量身定制”了一系列高价值深空载荷。然而在2021年2月，SLS两张发射合同在一个月内先后被猎鹰重型火箭截胡，业界一片哗然。

首先被截胡的是探测木星系统的“欧罗巴快船”任务，这是美国宇航局的一个旗舰级深空任务，其发射质量高达6吨，之前同为探测木星的“朱诺号”发射质量仅有3.6吨。加之距离遥远，任务最初以SLS做为发射火箭准备，但由于进度一推再推，成本一涨再涨，加之SLS产量有限，排期和“阿尔忒弥斯-3”任务冲突，美国宇航局只得另寻他法。

寻找替代火箭，首先需要衡量的就是运力要够，而衡量火箭的深空运力常采用“特征能量”，也就是常说的C3值。这是一个衡量离开某天体引力作用范围，转移至另一个天体引力作用范围的轨道所需的额外能量值。举例而言，C3=0是恰好离开地球轨道的能量，而该局发射洞察号火星探测器的C3需求为8.19，帕克号太阳探测器的C3则高达154。对于一型火箭而言，目标轨道的C3值需求越高，提供的运力就越小。而当C3高到一定程度后，该型火箭的有效运力将跌至0，而这就是该火箭的深空运力极限。根据任务需求，欧罗巴快船的替代火箭需在C3=41.69的前提下具有高达6吨的运力。

由于要考虑火箭的性能包络，从而提前设计其轨道和各项设备，因此替代火箭必须早早选定。而在美国宇航局开标之时，旧火箭退役，新火箭没飞，“猎鹰重型”顺理成章地成为唯一选项。原计划中，SLS能直接把探测器送入C3=82的地球木星转移轨道，无需引力加速。换用“猎鹰重型”发射则需要两次引力弹弓，耗时整整6年方能抵达木星，比原计划延迟3年。但考虑到进度、成本和可靠性，美国宇航局最终选择“猎鹰重型”。如今，“猎鹰重型”已经四战四捷，且2024年舱段发射前还有2～3次发射可供积累可靠性，而SLS仅成功发射一次。

▲ 衡量火箭运力的C3曲线值图

▲ “猎鹰重型”正在起竖

无独有偶，SLS的“太子”位被截胡并非孤例。2017年，“阿尔忒弥斯”计划中的重要组成部分“月球轨道平台门户”（LOP-G）应运而生，在初期任务规划中，空间站的两个核心舱段是由2次SLS发射分别送入轨道的，并由猎户座飞船带至工作轨道并对接。同样是因为SLS进度和经费拖累，2019年美国宇航局转而考虑成熟、灵活且低价的商业火箭，猎鹰重型火箭再次进入备选清单。几经研究之后，该局于2021年2月正式选定“猎鹰重型”合并发射月球门户的两个核心舱段，合同价值3.318亿美元。这个价格对比“猎鹰重型”的商业发射报价可谓昂贵，但要知道，美国宇航局最初发射两舱段所拟用的两发SLS耗资曾高达30多亿美元。

军用订单“密码”

一直以来，美国军方重载高轨发射任务基本被重型德尔它4型火箭垄断。作为德尔它4型系列火箭中运力最强的一款，其服役已有18年之久，但发射成本居高不下，因此已进入退役倒计时。其东家联合发射联盟公司已经全力转向新一代“火神”运载火箭。

重型德尔它4发射单价高达4亿美元，但仍能服役多年，其大运力和特制的长整流罩功不可没。前文曾提到合并发射的月轨空间站，实际上“猎鹰重型”是无法发射的，因为其现有整流罩内高仅11米，全直径内高仅6.7米，无法塞下合并后的空间站舱段。太空探索技术公司此时毅然表示将打造加长版整流罩以满足要求，但实际上此举并非为迎合美国宇航局，而是应美国军方的要求。当时太空探索技术公司正与其他3家公司竞逐“国家安全发射”项目。作为未来10年美国军用航天发射的“划地之战”，中标之后的“猎鹰重型”将接过重型德尔它4的部分天价机密载荷发射任务。太空探索技术公司势必需要额外研发类似后者的全长15米，全直径内长11米的长整流罩，同时还要在LC-39A发射台兴建垂直总装设施。而美国宇航局修改方案进行合并发射，其实是借了军方的东风。

▲ 欧罗巴快船已经开始总装

众所周知，现代火箭一般有两种总装方式，水平总装和垂直总装。两种方案各有优劣，但水平总装由于火箭的总装在水平状态下完成，仅需常规厂房和起竖装置即可，吊装要求也不高，是太空探索技术公司等成本敏感公司的首选。但由于水平总装需要先把载荷放平再和火箭对接，而部分带有大型折叠机构的敏感载荷无法承受“放倒”这一操作带来的影响。这方面最好的例子还是重型德尔它4，它同时使用水平和垂直总装设施，发射前先以“无头”的形式组装箭体，移动到发射台后再起竖，然后安装敏感的载荷和整流罩。

▲ “猎鹰重型”的前三次发射任务

▲ 由“猎鹰重型”合并发射的月球空间站舱段

▲ 极地挥发物调查探测车渲染图

▲ 长整流罩和垂直总装设施渲染图

“猎鹰重型”作为重型德尔它4的平替型号，太空探索技术公司只得斥巨资兴建垂直总装设备。军方和政府的订单一直是最稳定且最丰厚的资金来源，在火箭性能已逐渐接近乃至赶超竞争对手的时候，拓宽市场的最好方式便是消灭对手在特定领域的优势。

抓住空档狂揽订单

现如今的猎鹰重型火箭虽然销路已经打开，且未来订单不乏ViaSat-3这种高价值大重量的同步轨道通讯卫星，但实质上已经成为一款政府任务专用火箭。纵观剩余任务，美国宇航局和军方合同占比高达90%以上，且还有部分未涉密发射任务未予公开。截至目前已公开的订单和发射情况详见下页表格。

可以说，美国宇航局未来10年间的旗舰级探索任务已由“猎鹰重型”“事实性垄断”。造成这一局面的原因主要有如下几点：从外部来看，SLS自身超支拖延，已经成为一款猎户座飞船专用火箭，导致部分旗舰级深空探测器订单转移到猎鹰重型火箭手中。而最重要的是它抓住了重型德尔它4即将退役，而火神运载火箭尚未首飞的“空窗期”。从内部来看，猎鹰重型火箭运力可观，发射业绩4射4成可靠性纪录优秀，轨道适应能力强，价格上虽不如“猎鹰9”便宜，但还算“物有所值”。尤其是它通过“国家安全发射”认证后，更是狂揽军用发射任务。