SpaceX那些年吹过的牛——浅析重型猎鹰火箭的推进剂交叉输送技术
主页菌在上周文章中提到过那些SpaceX以往大肆宣传而今又鲜再提起的技术——火箭二级回收，重型猎鹰火箭的交叉燃料输送（cross-feed）。其中交叉燃料输送可以在不对箭体和发动机本身做大幅改进的前提下大幅增加火箭运力，可谓事半功倍的技术改进，但是这么好的技术究竟是什么原理，又为何被SpaceX弃之不谈？请看本文为你详细解读，本文原载于公众号“星际航行”，作者冰箭，中国运载火箭技术研究院某运载型号主任设计师，资深火箭专家，本号转载已经授权。
2011年4月的有一天，对于笔者来讲是一个可以惊天地的日子！那一天，SpaceX公司CEO埃隆.马斯克宣布了将发射Falcon9重型火箭的消息，同时表示Falcon9重型LEO运载能力达到了空前的45吨，如果增加推进剂交叉输送技术的话，还可以进一步增加到53吨！
一项技术居然就能够将我们平时斤斤计较的运载能力提升高达8吨之多！！！不是天方夜谭，这推进剂交叉输送技术似乎也太过神奇！为之瞩目！
几经调整，根据网上信息（参阅月实现首飞，并于明年3月执行STP-2（the U.S. Air Force’s Space Test Program-2）任务，发射多颗军用和科学卫星。然而， Falcon9重型火箭行将首飞之际，却获悉：推进剂交叉输送技术并不在当前计划实施之列。
不啻霹雳！Falcon9重型，你言而未行，何故？
为此，翻阅旧闻、遍历网页，以求得解方释此心！本文主要对推进剂交叉输送技术进行简要描述。
Falcon9重型火箭
欲谈推进剂交叉输送，还是不免要先说说号称继登月土星V火箭之后美国最大运载能力的Falcon9重型火箭！
和Delta V 重型、俄罗斯新一代Angara（安加拉）火箭采取共用芯级（通用模块）的策略一样，Falcon9重型火箭是由标准Falcon9火箭捆绑了两个相同芯级模块组成。2015年，SpaceX给出Falcon9重型运载能力LEO为53t，GTO为21.2t，至2016年，其修订为LEO 54.4t，GTO 22.2t，基本是当前现役火箭最大能力的2倍！
Falcon9重型的总体参数
Falcon9重型火箭高70m，起飞重量达到1420.788t，为2级状态。二子级为Falcon9标准上面级状态。全箭一级共计27台Merlin-1D发动机，是当前世界火箭起飞需要点火发动机最多的构型！历史上也，仅次于使用30台的前苏联四战四败登月N1火箭。为提升能力，所有级均使用过冷液氧，且燃料RP-1为低温状态。
Falcon9重型芯级和助推级均使用Merlin-1D发动机，其为开式燃气发生器液氧/煤油发动机。经改进，其地面推力达到845kN，真空推力为914kN。该发动机具备较大范围内的推力调节能力，可实现额定工况的55%～100%范围，特殊应用时甚至可到40%。这种能力为Falcon9火箭在实际应用中提供了诸多的选择和便利之处。
Falcon9的芯级总体参数
Falcon9的助推级总体参数
Falcon9重型火箭芯二级采用1台真空状态的Merlin 1D Vac发动机。其基本状态同Merlin 1D发动机，但为了适应真空飞行工况，采用面积比达到117：1（地面级使用的是16：1）的大喷管。这使得该发动机比冲高达345s（似乎比高压补燃的上面级液氧煤油发动机还高！），推力也提高到了934kN。此发动机具备多次点火的能力，这无疑也大大增强了其对于任务的适应能力。
Falcon9的芯二级总体参数
Falcon9重型的推进剂交叉输送
Falcon9重型的推进剂交叉输送是以大幅度提高运载能力为目标的！
带着对于推进剂交叉输送如此卓越和惊艳表现的膜拜之情，笔者试图从网络上去寻找到Falcon9重型的关于交叉输送的略微更详细的一些材料，但很遗憾，没能如愿！只有很多和我一样的人的讨论和当事人对于该项技术的只言片语。不过拼凑一番，似乎对于我们了解它也还行！
2011年，在宣布Falcon9重型火箭发射日期时，埃隆.马斯克说：“Falcon重型将是历史上首款使用助推向芯级供应推进剂交叉输送技术的火箭，这样在助推分离时芯级贮箱推进剂大部分都未消耗。最直接的作用就是Falcon重型获得了和三级火箭相当的性能，尽管它只有一个上面级。这就进一步提升了其运载能力和可靠性。对于需求小于100000lbs的任务是不需要交叉输送的，其可以根据需要而关掉!”。1lbs≈0.4536kg，100000lbs≈45.36t。
在随后关于Falcon9重型火箭推进剂交叉输送技术的说明中，埃隆.马斯克进一步表示：“外侧芯级和中心芯级之间的交叉输送非常有用，粗略来看，其可将运载能力提高超过20%～30%。在这方面，我们有很大的优势，因为我们使用了9台发动机，对于发动机的流量我们可以分别独立控制。所以，我们进行交叉输送的方式就是，让中心芯级发动机从邻近的外侧芯级来获取推进剂。之后我们可以关掉这些发动机的阀门，这样它们就不会再从外侧发动机抽取推进剂。如果你只有一台发动机，你就做不到这一点，如果你有多个或者9个发动机，这就是一件容易得多的事儿。”
2011年9月，John K. Strickland在 《The SpaceX Falcon Heavy Booster: Why Is It Important?》中阐述：Falcon9重型的交叉输送型式上同航天飞机外挂贮箱给SSME发动机输送型式相似。芯一级邻近助推器的3台发动机由助推器贮箱来提供，如此芯一级的9个发动机实际上有6个由两个助推器分别供应，剩下的3个则仍是由芯一级自己贮箱来提供。在起飞的初始阶段，所有27个发动机全满工况工作，在到达一定时间后，芯级调节为小推力状态以节省芯一级推进剂，而助推仍然保持满工况！在助推器结束工作分离之后，芯级转化为满工况！
据此，已经可以初步勾勒出关于Falcon9重型的推进剂交叉输送的基本轮廓了！不过，按最后一种描述，似乎Falcon9重型也不是最理想和完整意义上的交叉输送（毕竟芯级也有所消耗！网上民间信息是消耗了约10%！）。且，令人惊奇的是，笔者竟然也在网上最终搜到了下面这张确实能够反映主要特征的图！
Falcon9重型连接图
Falcon9 重型交叉输送简图
Falcon9重型，其实你不是一个人在战斗！
自伟大的齐奥尔科夫斯基在更为伟大的牛顿揭示的力学定律上，开创性推导出可以用运载火箭来实现人类太空梦想这样的结论时，我们对于渴望提高运载火箭能力的那份执着和追求热情似乎就有着永不枯竭的源泉和动力！在如此炽热的高昂情绪下，能如此大幅提高运载性能的推进剂交叉输送技术怎么可能只是一项SpaceX所独创研发的新生技术？
1987年，美国论证的第二代两级入轨航天飞机V-2就采用了推进剂交叉输送技术（这都近30年前了！）。根据设想，V-2航天飞机由轨道器和助推级构成，均使用了氢、氧、煤油推进剂。起飞时，轨道器及助推级发动机均起动工作。两级并飞阶段，由助推级向轨道器输送推进剂；助推级推进剂耗尽后，于轨道器分离滑翔返回；此时轨道器推进剂还处于满箱状态，将推动航天飞机进一步飞行。
第二代航天飞机V-2交叉输送
2002年波音公司在其研制的新一代可重复使用运载器RLV中，也提出了使用推进剂交叉输送技术方案。根据其研究结果显示：使用推进剂交叉输送技术将结构干重可以减少25，同时还可以降低25%的成本。
作为Angara火箭后续性能改进规划的一部分，俄罗斯赫鲁尼切夫航天中心计划应用推进剂交叉输送技术，以提高A3、A5和A7型火箭的性能。推进剂由捆绑的助推向芯级供应，这样可以在助推分离时使芯级仍保持有90%～100%推进剂。从其提供的交叉输送原理图上，可以看出，其采用的是贮箱之间的推进剂相互输送策略，似乎和所描述的Falcon9重型以及波音新一代可重复使用运载器采用的管路上相互输送还是有所不同。
至今三十余年了，蓝图还是蓝图，愿望终究还是愿望！静静地留在那里！此刻，突然在想，当2011年Falcon9 重型在高呼将成为历史上首个采用交叉输送系统的运载火箭的时候，得有多少人为之振奋，又会牵动多少人为那份尘封久远的情怀而为之欣然泪流！
Falcon9，你为何钟于交叉输送？
直观上来看，真的很神奇！同样的三个子火箭，不同的使用方法竟然导致的结果还差别如此之大，令人费解！而事实上，这就是研究火箭运动的魅力之所在！此刻，真地对齐奥尔科夫斯基的敬仰更加浓烈了，因为这看似复杂的过程，也都在其掌握之中！
结合交叉输送过程和多级火箭原理，不难发现：交叉输送实际上就是将火箭多级化了！相当于增加了一级！
说明方便，先简化定性来看。设两个助推和芯级湿重和干重均为M、m，发动机比冲相同，为求本质，暂不考虑有效载荷和二级（即助推和芯级自行飞！）。对于不采用交叉输送，同时工作分离，按齐氏公式，其提供的速度增量为：
上式中Rm=M/m。如果考虑采用交叉输送，初始全部使用助推，耗尽后助推分离，再使用芯级工作（相当于增加了一级！），则其提供的速度增量为：
现在主流火箭的Rm基本在10左右，按此则两者产生的速度增量比为1.4，即同样的质量特性状态采用交叉输送提供的速度增量较非交叉输送状态提高了40%！为什么？其实，简单说来就是，采用交叉输送相当于将芯级的推进剂利用效率提高了，从能量的分配角度，至少它不用去给分离掉的助推无谓增速耗能了！反之，这部分能量也转化成了有用的速度增量。从另外一个角度，由于芯一级推进剂近乎于没有消耗，所以相对于不采用状态，交叉输送还让助推飞行结束时的速度减慢了，这对于两个助推器的回收还是很有益处的！
鉴于文献中能查到的Falcon9重型数据还是比较完整（主要Falcon火箭最近太受人瞩目了！），作为一名从事该行业的研究人员，还是没忍不住想再往下稍稍深入一下！
一般而言，近似分析来看，用运载火箭去发射LEO轨道，欲使其速度达到7.8km/s，其需要提供的速度增量约在9.2km/s～9.8km/s之间（其重力和阻力的损失基本在1.4 km/s～2.0 km/s范围内）。这里用前述Falcon9重型介绍时的表格中数据，近似按照主推飞行段一级消耗10%推进剂下运载能力能够达到54.4为基准，确定出总的速度增量；之后，以此速度增量为依据，给出了芯一级不同推进剂消耗（或者在助推分离时芯一级贮箱中剩余推进剂量）下的运载能力。表中“ideal”状态表示，芯一级在助推分离时不消耗，保持满箱状态，对应于理想全交叉输送状态；“0”状态表示芯一级和助推级在助推飞行段同时消耗，对应于芯一级和助推推进剂同步消耗状态；其余状态介于两者之间。
芯一级不同推进剂用量下的Falcon9重型运载能力预估值
从上述简要计算得到的数据表中可以看出，理想状态下（完全意义上的交叉输送）运载能力明显高于助推分离时芯一级推进剂耗光状态。但还有问题！就是：运载能力的影响似乎对表中“0”～“0.5”状态更为敏感一些！换言之，芯级较助推少消耗一些带来的运载能力提升比较明显！
于是，就想到了相似构型的Delta IV重型火箭，同样的三个通用氢氧芯级组成一级火箭。但Delta IV重型火箭并没有选择推进剂交叉输送技术，而是另辟蹊径，采用了通过芯级节流模式工作来减少助推飞行段的芯级推进剂消耗的方法，即：助推在满推力状态下工作，而芯一级处于高度节流状态（所使用的RS-68发动机节流能力达到额定55%～102%）节省推进剂，以至于在助推其分离之后，芯一级仍然工作了约90s（资料上显示：助推工作约242s，芯一级工作328s），这似乎意味着在助推分离时，芯一级推进剂还保留有原来的35.5%！如果关于Falcon9重型初步分析数据规律具有普适性，那么这个量似乎也正位于运载能力对芯一级推进保留量的敏感区内！即在不采用交叉输送的情况下，通过芯级发动机变推力节流，得到的运载能力提升效果应该也很显著！
至此，笔者似乎对于Falcon9重型在Merlin 1D发动机具有很好的变推力节流能力下先不优先发展交叉输送来提升运载能力的方式有了一些理解和认识！果然，资料显示：Falcon9重型将采用和Delta IV一样的策略，即助推满推力，而芯级减推力节流！但SpaceX似乎仍然不忘初心，坚持说仍要发展推进剂交叉输送技术，以用来将未来超过45吨有效载荷送入LEO或其它任务。
但这是否意味着：推进剂交叉输送技术将仍然将一如既往蓝图归蓝图、愿望为愿望般存在？我们且拭目吧！
交叉输送，可能没有想的那么简单！
Falcon9重型在此刻未将交叉输送技术研制列入我们原以为应该有的计划中，这不禁让笔者也微微感受些许失望和难过！但也隐约感觉作为一项对运载能力提升有如此魅力和诱惑力的交叉输送技术怎么可能说上就上而说搁置就搁置？这之间除了上述提到的节流也可以部分提高能力外，想必还有原因，一定不会那么简单！
其实从上述对于推进剂交叉输送描述的寥寥数语中，笔者了解出对于该项技术的实现至少涉及两个过程：其一，助推级分离过程，交叉输送管路的分离可靠性；其二，不同级之间相互输送工作的系统匹配性。都很关键！
显然，不同模块之间的交叉输送，从严格意义上来讲，使得各模块之间不再相对独立，而是互成一体。和传统意义上火箭分离相比，至少多出了推进剂输送管路的分离。分离作为一个高风险环节，虽然在运载火箭设计上历来都是重中之重，但即便如此，对于输送管路的分离，其难点恐怕并不在小！至少有：1）带有液体且直径不小的输送管路分离过程的可靠性；2）分离中，级与级之间状态切换的可靠性，即从即将分离的助推切换为后续仍需工作的芯级可靠性。前者对分离机构的设计提出了较高要求，后者则偏重于分离后密封设计。两者都需要解决，缺一不可，否则影响难料！
关于不同级之间相互输送工作的系统匹配性，主要是考虑的是系统正常工作的整体设计，这同样需要统筹全方位考虑！譬如，由于管路布局差异导致助推级与芯级对压力需求不一致带来的贮箱压力匹配协调问题、分离时刻隔离装置关闭时带来的诸如水击冲击之类的动态过程适应性问题以及分离时状态切换过程中发动机工作对推进剂供应状态突变的适应性问题等等。所有这些问题，都事关全局！需要进行慎重、缜密的系统设计、分析，以尽最大努力去确保推进剂的合理输送、交接切换的无缝连接，且最终还要通过有效的仿真、试验来验证其正确性。加之以地面状态去模拟飞行状态，这又谈何容易！
看来，无限风光在险峰！不是不好，得其不易啊！
他山有石
推进剂交叉输送技术作为一项为大家仰慕了近三十余年的技术，其实质上就是一个如何将推进剂进行有效管理而得到最优化结果的问题。Falcon9重型欲投石问路，敢为众人之先！然，目前结果来看未能尽其初衷，其间何故，笔者在此也只是自行揣测以为己乐而已！但用与不用、怎么用？终究为大决策，需要大智慧，涉及考虑因素又岂在一二？
但无论如何，从自己角度，还是到处寻找了原因，也算不负这一日之功，经此一番难得，亦获感不菲，并共勉：
发动机！还是发动机！我们需要推力调节范围更大一些的发动机！
27台地面起飞发动机？SpaceX敢！我们对此，如何？
推进剂交叉输送技术不仅仅只能提升Falcon9重型火箭的能力！
想了解更多的航天科普新闻，请扫描或长按二维码关注我们的公众号“航天爱好者”！并分享你喜欢的文章！欢迎各位爱好者投稿，各抒己见，畅所欲言！