“二手”火箭改变游戏规则 ——“猎鹰9号”火箭48小时两次发射和回收一级成功

“二手”火箭改变游戏规则

——“猎鹰9号”火箭48小时两次发射和回收一级成功

  Leo  远望智库研究员

北京时间2017年6月24日，SpaceX公司在肯尼迪航天中心成功发射一枚“经过飞行验证”（回收后重复用）的猎鹰9号火箭，将保加利亚的首颗通信卫星BULGARIASAT-1送入地球同步轨道，之后一级火箭顺利停留在大西洋的驳船上回收。6月26日，SpaceX公司又在美国范登堡空军基地将铱星公司的“10 Iridium NEXT”卫星送入近地轨道，并在太平洋海域的驳船上回收火箭的第一级。这是SpaceX公司连续48小时内进行了两次发射（并非同一枚火箭）。

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猎鹰9火箭本次发射的一级回收快放视频，转自卫星与网络，感谢@航天爱好者网 林晓弈  提供

一、“猎鹰9号”火箭概况

“猎鹰9号”火箭于2010年6月首飞，迄今为止共进行了36次发射飞行，成功34次，部分成功1次，失败1次。它和SpaceX另一款“龙”飞船搭配，是首个真正意义上由私营公司研发的商业航天运输系统。

此次任务使用的“全推力猎鹰9号”（Falcon 9 Full Thrust），也称为“猎鹰9号”-1.2型，2015年设计并于同年投入发射使用。

“猎鹰9号”-1.2型火箭全长70米，直径3.66米，近地轨道运载能力22.8吨，地球同步转移轨道运载能力8.3吨。火箭一、二子级均采用升级后的发动机：一子级采用升级版9台“灰背隼”1D发动机，二子级采用1台升级版“灰背隼”1D真空发动机。火箭使用长13米，直径5.2米的轻型碳纤维整流罩和加长型新储箱。

表1 “猎鹰9号”-1.2型火箭参数

总体性能	总起飞质量/吨	549.054
总推进剂质量/吨	459.8
起飞推力（海平面）/千牛	549054
全长（米）	70
二子级	发动机	1台“灰背隼”1D真空发动机
长（+级间段）/米	约12.4
推进剂	液氧/煤油
推进剂质量/吨	66
燃烧时间/秒	348
推力/千牛	934
一子级	发动机	9台“灰背隼”1D发动机
长（+级间段）/米	约43
推进剂	液氧/煤油
推进剂质量/吨	393.8
燃烧时间/秒	162
推力/千牛	7607

与“猎鹰9号”-1.0型火箭使用的“灰背隼”1C发动机相比，“灰背隼”1D简化了设计，采用了改进工艺和质量控制手段，使SpaceX每年能生产更多台发动机。原本在燃烧室上电镀镍钴合金作为防护层，现由爆炸成型的金属外壳代替，延长了“灰背隼”1D的疲劳寿命，并增加了燃烧室和喷管的热冗余。此外，“灰背隼”1D发动机可在额定性能的70%～100%范围内调节推力，而1C不具备推力调节功能。该发动机还是迄今全球推重比最高的液体燃料发动机。“猎鹰9号” -1.0火箭一级发动机采用采用3×3“井”字布局，而1.1型火箭则采用八角形布局。8台“灰背隼”1D发动机排成一圈，环绕1台位于中央的发动机，中央发动机安装位置略低于其他发动机。这种新的布局提升了热性能。此外，火箭第二级采用了加长型推进剂贮箱，由单独一台针对真空环境优化的“灰背隼”1D发动机，具有扩张比更高的喷管。发动机支持多重点火，能实现多种轨道和轨迹。与1.1型相比，“猎鹰9号” -1.2进行了一次重大升级，火箭的两级发动机都有改进，加大了二级火箭的燃料舱及其燃料密度，使火箭可以携带更多有效载荷到达静止轨道，并能够同时实现第一级的垂直着陆返回。

作为可重复使用运载火箭研发计划的一部分，SpaceX公司从“猎鹰9号”-1.1火箭投入使用起，就根据具体情况在其部分发射任务中进行一子级回收的试验。试验可以简单地分为两类：一子级不安装着陆支架，只是利用发动机重启进行再入减速、姿态调整等；一子级安装着陆支架，除进行上述操作外，着陆之前着陆支架会展开，尝试海上降落。SpaceX公司已经进行了多次试验，包括海上平台回收试验。但直至2016年10月，SpaceX首席执行官马斯克宣布了一项“猎鹰9号”火箭的“最终升级”——“猎鹰9 号”火箭的 “模块5”（1.2型），旨在增加发动机推力，改进着陆腿，以增强火箭的可恢复性和可重复使用性，才于2017年2月20日首次成功在坚实地面上着陆。

二、任务情况判断

“猎鹰9号”-1.2型火箭48小时内的两次连续成功发射在全球范围内开创了三个“第一”：

一是第一次采用“二手”火箭发射，实现了助推器的“回收-复用”的闭环。在此之前，可重复使用空天往返飞行器仅限于上面级，例如美国的航天飞机、X-37B等。上面级并不借助自身动力入轨。6月24日发射所使用的“猎鹰9”-1.2型，第一次重复使用了助推火箭。这也标志着可重复使用火箭技术取得重大突破。

二是SpaceX成为第一家在48小时内连续两次发射商业航天公司。将BULGARIASAT-1送入地球同步轨道，又将“10 Iridium NEXT”卫星送入近地轨道，这说明SpaceX公司已经具备短时间内同时生产发射两枚火箭的能力，并且具备发射不同轨道高度的能力。此外，SpaceX的发射能力仍在不断提高，包括推出“猎鹰9 号”-1.2型火箭的重型衍生品，计划将三台“猎鹰9 号”-1.2火箭组合在一起，拟于2017年第三季度亮相；用于载人航天，将NASA的宇航员送至国际空间站；用于更高轨道发射，利用1.2型向火星发射航天器。

三是第一次在不同区域实现航天器的垂直降落回收。两次均成功回收，说明SpaceX公司对火箭回收技术已经驾轻就熟，驳船回收垂直降落火箭的海域在48小时内覆盖大西洋和太平洋，说明SpaceX的回收范围至少可覆盖两洋。这意味着突破了以往对航天器再入点和再入角的限制。

三、影响分析

SpaceX公司的两次发射成功已在世界航天界产生了巨大反响，它也将对航天领域产生深远影响：

一是改变了“快速响应空间”的游戏规则，为低成本快速发射创造了条件。全球范围内看，尽管各国追求“快速响应空间（ORS）”的航天发射能力，除美国的SpaceX公司外，尚未有国家或地区真正实现48小时内两次发射。而且，ORS发射的有效载荷多为近地轨道的微小卫星，以吨计的有效载荷和同步轨道尚未出现在ORS考虑的范围内。尽管目前SpaceX仅能达到“连发两箭”，但按照其技术途径来看，随着可复用准备时间的缩短，回收后快速维护、加注、再发射将于不久实现。这将势必缩短美军对ORS的响应时间、有效载荷、轨道高度等要求，极大增强美在轨卫星的快速补网能力，从而增加其天基信息网的鲁棒性，增强本国太空资产的安全性，提升对其他国家太空非对称性。此外，美X-37B轨道试验飞行器（重5吨，长8.8米，直径5米），战时由“猎鹰9”-1.2型火箭投送，战时可根据需要快速入轨，将对低轨卫星群产生巨大威胁，也藉此瘫痪敌天基信息网络。

二是改变了商业航天发射领域的游戏规则，引领了商业发射的技术发展途径。目前，国际上普遍的低成本发射发展途径主要集中于模块化建造思路，寄希望于通过批量化生产达到规模效益。“二手”火箭的使用，真正实现了可重复使用，从而极大降低了发射成本。当前，猎鹰9号火箭发射的报价比同样载荷和容积的火箭报价低30%。可以预见，随着技术的成熟和重复使用的普遍应用，商业航天发射成本将持续下降，这将使“可重复使用”成为必然趋势，从而迫使模块化建造思路的“传统技术途径”向更为低廉的“可重复使用”转变。“重复使用”火箭的发展，也必将带动组合式空天往返飞行器可重复使用的发展。

三是改变了航天研发的游戏规则，大大增强了商业资本对航天科技投入的信心。既不同于NASA、美国空军这样的“国资”，又不同于波音、洛马这样的“国家队”，“猎鹰9号”火箭的研发资金主要来源于SpaceX公司CEO马斯克从商业领域赚取的钱。可以说“猎鹰9号”火箭取得的成功，源于新型科技企业对技术研发独特的理念。它既不受制于美国政府对科研经费的审查管控，又不受制于企业技术传统的“思维定势”，而完全按需研发。这种“自由市场”竞争下的必然结果是在灵活、高效的研发体制下快速进行资源配置，从诸多试错中找出最佳途径快速发展。可以预见，“猎鹰9号”的成功将会使SpaceX公司在一段时间内引领美国商业航天发射领域的发展。