□ 袁宇

通用芯級理念

“獵鷹”9V1.1和“獵鷹”重型火箭使用的一級和助推器是基本相同的，而且二級與一級的貯箱直徑都是3.6m，結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料與工藝都一致，差別僅在于長度不同。通用芯級理念在美國“漸進性一次性運載火箭EELV”項目研制的兩種運載火箭——“德爾它”IV和“宇宙神”V、俄羅斯下一代運載火箭“安加拉”設(shè)計中，都得到應(yīng)用。通用芯級可以簡化火箭設(shè)計工作，簡化貯箱和發(fā)動機的生產(chǎn)線，有利于快速批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高制造質(zhì)量。

不過，Space X的“獵鷹”9重型火箭，在通用芯級理念的基礎(chǔ)上，加入了“交叉輸送”技術(shù)。傳統(tǒng)的通用芯級構(gòu)型的火箭，芯級與助推器之間僅有結(jié)構(gòu)的連接，不存在推進劑的連接。而“獵鷹”9重型運載火箭可以在飛行中，將助推器的推進劑向芯級輸送，這樣助推器會先耗盡關(guān)機，分離的時候芯級的推進劑還差不多是滿的。通過這種辦法，可以使芯級工作更長的時間，實現(xiàn)一級半到達近地軌道（LEO），兩級到達地球同步轉(zhuǎn)移軌

道（GTO）。Space X宣稱“獵鷹”9重型火箭在使用“交叉輸送”技術(shù)時，可將53噸載荷送入LEO軌道，如果發(fā)射的載荷沒這么重的話，則關(guān)閉該系統(tǒng)，這時候火箭的LEO運載能力會下降到45噸?！敖徊孑斔汀辈⒉皇怯蒘pace X最早提出，卻是Space X第一個應(yīng)用的。

通用發(fā)動機理念

兩型火箭的芯一級、助推器、二級都使用同一種發(fā)動機，其中，“獵鷹”9V1.1一級使用了9臺Merlin 1D發(fā)動機，二級使用了一臺Merlin 1D的真空型號（通過增加噴管擴張比）；“獵鷹”9重型芯一級和助推器使用的Merlin 1 D發(fā)動機達到27臺之多，二級也是一臺Merlin 1D真空型。這種一級、助推器、二級使用同一基本型發(fā)動機，一級多臺并聯(lián)滿足大推力要求，二級增大噴管擴張比滿足性能要求的設(shè)計思想，可以降低單臺發(fā)動機推力要求，減少發(fā)動機型號，因而可以降低運載器研制難度，縮短研制時間，節(jié)省經(jīng)費。這一思想最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)的SS-7、SS-9戰(zhàn)略導(dǎo)彈（后改為“旋風(fēng)”運載火箭），歐洲的“阿里安”1-4系列運載火箭，我國的“東風(fēng)”四號戰(zhàn)略導(dǎo)彈，“長征”二、三、四號系列運載火箭都貫徹了這一理念。這些導(dǎo)彈和運載火箭在長年的服役中都獲得了優(yōu)異的發(fā)射成功率。

動力冗余技術(shù)

雖然通用發(fā)動機的理念在航天界不是什么新聞，但是上面所述其他國家的導(dǎo)彈和火箭，一級一般只有4臺發(fā)動機并聯(lián)使用。發(fā)動機并聯(lián)數(shù)量過多，會直接導(dǎo)致動力系統(tǒng)整體的可靠性降低。簡單來說，即使每臺發(fā)動機的可靠性高達0.99，但如果一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障就可以導(dǎo)致飛行失敗的話，那么9臺發(fā)動機的可靠性就只剩下0.99的9次方0.91了，27臺發(fā)動機的可靠性就只剩下0.76了。這方面最典型的失敗案例就是前蘇聯(lián)研制的N-1登月火箭，其一級并聯(lián)使用了30臺NK-15發(fā)動機，導(dǎo)致動力系統(tǒng)和推進劑輸送系統(tǒng)空前復(fù)雜，結(jié)果是N-1火箭4次飛行4次失敗，其中一次是在發(fā)射臺上直接爆炸，三次凌空爆炸。

有了N-1的先例，航天界紛紛對Space X設(shè)計的9機并聯(lián)、27機并聯(lián)的獵鷹系列火箭的可靠性表示懷疑。Space X則宣稱在獵鷹系列火箭設(shè)計上采用了動力冗余技術(shù)，即9臺發(fā)動機中，一兩臺發(fā)動機出故障不會對發(fā)射成功造成影響。具體是：在起飛后的90s內(nèi)一臺發(fā)動機故障關(guān)機、90～160s內(nèi)兩臺發(fā)動機故障關(guān)機都不會影響飛行安全。

動力冗余技術(shù)的基礎(chǔ)是發(fā)動機狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，以及故障診斷與處理系統(tǒng)技術(shù)?；鸺诎l(fā)射臺點火后，通過這兩個系統(tǒng)快速判斷9臺發(fā)動機是否工作正常，如果參數(shù)出現(xiàn)異常則立即關(guān)機停止發(fā)射。只有當(dāng)所有數(shù)據(jù)表明發(fā)動機正常工作后，發(fā)射臺才會釋放火箭起飛。在飛行過程中，則由箭上的計算機來負(fù)責(zé)檢測各臺發(fā)動機狀態(tài)，若有某臺出現(xiàn)異常則立即關(guān)機，防止出現(xiàn)不可控的爆炸等嚴(yán)重后果。

2012年10月，“獵鷹”9火箭執(zhí)行第二次國際空間站貨運補給任務(wù)時，就出現(xiàn)了一臺發(fā)動機故障關(guān)機的情況，動力冗余技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，最終“龍”貨運飛船還是進入了軌道。搭載的全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信公司的一顆小衛(wèi)星受此影響卻未能進入預(yù)定軌道。這次飛行，實際驗證了動力冗余技術(shù)的有效性，在某些情況下可以力挽狂瀾。

“獵鷹”9一級的9機并聯(lián)動力系統(tǒng)

Space X的火箭貯箱生產(chǎn)線

大量使用商用成熟技術(shù)

得益于美國雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和政府對航天技術(shù)幾十年的巨大投入，Space X可以輕松地在市場上采購到成熟的火箭生產(chǎn)設(shè)備、原材料，以及貨架式產(chǎn)品，如導(dǎo)航/控制系統(tǒng)中的GPS定位儀、傳感器、芯片等。貯箱殼體使用的鋁鋰合金，原來就是航天飛機外掛貯箱的材料；貯箱焊接使用的攪拌摩擦焊技術(shù)，在波音公司“德爾它”II、IV運載火箭的貯箱生產(chǎn)上已經(jīng)使用多年，并在工業(yè)焊接市場得到廣泛應(yīng)用。

獵鷹系列火箭的導(dǎo)航/控制系統(tǒng)，是在商業(yè)Linux操作系統(tǒng)上自主開發(fā)的，使用的電子元器件也多是商業(yè)級的成熟批量產(chǎn)品。與傳統(tǒng)火箭上昂貴的軍用定制級電子元器件相比，性能并不遜色，價格卻極低。至于可靠性方面，每枚火箭上的導(dǎo)航/控制系統(tǒng)有三重冗余，足以保證飛行安全。

致力于可重復(fù)使用

運載火箭的硬件成本（箭體、發(fā)動機等）占發(fā)射成本的60%～70%，而推進劑費用只有20%左右。一直以來，實現(xiàn)火箭的重復(fù)使用，大幅度降低發(fā)射成本都是航天界的夢想，艾倫?馬斯克也不例外。從獵鷹系列火箭設(shè)計之初， 馬斯克就堅持要開發(fā)火箭重復(fù)使用技術(shù)，尤其是對最長最重的一級。馬斯克宣稱，實現(xiàn)重復(fù)使用后，獵鷹系列火箭的發(fā)射價格，還能在現(xiàn)有價格上對折，真正實現(xiàn)他的目標(biāo)——每千克載荷發(fā)射入軌費用降低到1000美元。在“獵鷹”9早期的設(shè)計中，曾經(jīng)有過使用降落傘濺落海面回收一級的方案，但是分析和飛行數(shù)據(jù)表明這并不是一個好想法。

2011年，Space X提出了“垂直起飛，垂直降落，簡稱VTVL”的一級回收復(fù)用方案。一級火箭分離后，在再入大氣層過程中重新開啟三臺發(fā)動機減速，在接近地面的時候打開4個支撐腿，并啟動一臺發(fā)動機，通過發(fā)動機推力的控制，使火箭垂直降落在著陸場上。這個相當(dāng)“科幻”的重復(fù)使用概念，早在1990年就已經(jīng)提出，麥道公司（1997年并入波音）在1991～1996年間，曾經(jīng)開發(fā)了兩型“德爾它”快帆驗證機，對相關(guān)技術(shù)進行飛行驗證。不過，“獵鷹”9一級火箭的飛行高度和速度、控制難度，遠超出了“德爾它”快帆的已驗證范圍。

2012年起，Space X利用“蚱蜢”（Grasshopper）技術(shù)驗證機，在德克薩斯州試驗場開展VTVL技術(shù)試驗，在先后8次的飛行中，最高飛行到了744米，并成功降落。但是，“獵鷹”9火箭一級分離時，速度高達10馬赫，高度在45千米以上，還面臨嚴(yán)重的推進劑不沉底、氣動載荷、姿態(tài)失控、高空橫風(fēng)等問題，這些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦無法驗證的。Space X對此的辦法是在實際飛行中去試驗，去解決。在新版本的獵鷹9V1.1火箭一級底部，設(shè)計了4個可折疊的著陸支撐腿，并為一級安裝了姿態(tài)控制發(fā)動機系統(tǒng)（使用冷氣推進）。2014年4月19日，在“獵鷹”9V1.1執(zhí)行第三次ISS商業(yè)貨運任務(wù)時，支撐腿正式亮相。此次飛行的目標(biāo)是實現(xiàn)一級分離后的姿態(tài)控制，以及可控減速；飛行數(shù)據(jù)表明這些目標(biāo)基本實現(xiàn)。在“獵鷹”9V1.1后續(xù)發(fā)射任務(wù)中，Space X將繼續(xù)對VTVL技術(shù)進行驗證，具體進展有待后續(xù)關(guān)注。

“獵鷹”9V1.1火箭上的著陸支撐腿（折疊狀態(tài)）

“蚱蜢”垂 直起降技術(shù)驗證火箭