王 芳， 程洪瑋， 彭 博

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所， 北京 100094)

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“獵鷹9”運(yùn)載火箭海上平臺成功回收的分析及啟示

王 芳， 程洪瑋， 彭 博

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所， 北京 100094)

為全面分析SpaceX公司垂直起降重復(fù)使用“獵鷹9”火箭技術(shù)水平和發(fā)展?jié)摿?，系統(tǒng)概括了SpaceX公司特點(diǎn)和“獵鷹9”火箭相關(guān)飛行試驗(yàn)，采用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法剖析了SpaceX公司取得成功的深層次原因，研究了海上平臺垂直回收的優(yōu)缺點(diǎn)和重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)。通過模型假定和仿真計(jì)算表明,“獵鷹9”重復(fù)使用火箭運(yùn)載能力損失約30%以上、發(fā)射費(fèi)用可降低30%；在此基礎(chǔ)上提出“獵鷹9”火箭后續(xù)跟蹤研究的主要問題，我國低成本運(yùn)載火箭發(fā)展策略以及我國運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展差距等。

“獵鷹9”運(yùn)載火箭；垂直起降；重復(fù)使用；低成本

隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，航天發(fā)射任務(wù)越來越密集，低成本進(jìn)入空間成為國際熱點(diǎn)話題。21世紀(jì)以來，美國、俄羅斯、歐洲等國家和地區(qū)均瞄準(zhǔn)低成本進(jìn)入空間，研制新一代一次性使用運(yùn)載火箭。北京時間2016年4月9日凌晨4時，美國SpaceX公司“獵鷹9”運(yùn)載火箭在完成充氣式太空艙發(fā)射任務(wù)時，首次實(shí)現(xiàn)海上平臺一子級垂直回收，具有重大里程碑意義。本文將對SpaceX公司和“獵鷹9”重復(fù)使用運(yùn)載火箭進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，得出對我國運(yùn)載火箭發(fā)展的啟示。

1 SpaceX公司情況及特點(diǎn)

SpaceX公司是一家從事太空運(yùn)輸?shù)乃綘I公司，由原Paypal及特斯拉汽車創(chuàng)始人艾倫·馬斯克于2002年創(chuàng)立[1]，總部位于美國加利福尼亞州。目前該公司擁有員工4 000余人，主要提供和承擔(dān)大量商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射和美國政府發(fā)射任務(wù)，主要產(chǎn)品為“獵鷹”系列運(yùn)載火箭以及“龍”飛船，目標(biāo)是提供廉價的航天發(fā)射服務(wù)[2]，將航天發(fā)射成本降至現(xiàn)有運(yùn)載火箭的十分之一，將物資和人員運(yùn)送風(fēng)險減至十分之一[3]38。

該公司主要有以下特點(diǎn)。一是搭建高度扁平化的組織架構(gòu)[4]，促進(jìn)技術(shù)研討和提高效率。借鑒美國硅谷高技術(shù)企業(yè)經(jīng)驗(yàn)，公司高級管理人員與員工比例將近1∶200，各領(lǐng)域員工平等地參加技術(shù)研討、設(shè)計(jì)、開發(fā)等工作。二是瞄準(zhǔn)低成本開展研制，技術(shù)繼承和創(chuàng)新相結(jié)合?；鸺靼l(fā)動機(jī)充分借鑒“阿波羅”計(jì)劃登月艙主發(fā)動機(jī)整體設(shè)計(jì)和噴注器等關(guān)鍵組件[5]，在此基礎(chǔ)上提高推力、比沖等性能；測試發(fā)射回收軟件在商業(yè)軟件基礎(chǔ)上改進(jìn)；瞄準(zhǔn)一二級貯箱產(chǎn)品化創(chuàng)新研制低溫共底貯箱等。三是培養(yǎng)小型精英化的科研團(tuán)隊(duì)，保證工作質(zhì)量。公司強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)“高工資、高水平、高效率”的“三高”小型精英團(tuán)隊(duì)，高管多來自波音、洛克希德·馬丁等大型航天企業(yè)，具有航天背景和豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。四是注重“三化”(通用化、組合化、系列化)設(shè)計(jì)思想和產(chǎn)品化理念，提升快速、低成本研制能力。公司從設(shè)計(jì)到操作注重產(chǎn)品的“三化”和標(biāo)準(zhǔn)化，強(qiáng)調(diào)科學(xué)合理的簡化原則，充分利用貨架產(chǎn)品以及數(shù)字化手段輔助實(shí)施。五是測試設(shè)備和發(fā)射工位自管自用。無須像波音、洛克希德·馬丁公司一樣租用美國政府相關(guān)設(shè)備，擁有自己的測試設(shè)備和2個發(fā)射工位，便于做到隨時測試、快速周轉(zhuǎn)。六是設(shè)計(jì)與生產(chǎn)無縫對接。計(jì)劃管理、工程研發(fā)和制造生產(chǎn)人員協(xié)同工作，有效縮短生產(chǎn)供應(yīng)鏈，保證研發(fā)團(tuán)隊(duì)工作效率，節(jié)約成本。七是注重仿真平臺和信息化系統(tǒng)建設(shè)。公司使用先進(jìn)的圖形顯示系統(tǒng)和仿真平臺，增強(qiáng)工作人員對任務(wù)的全局掌控能力和對發(fā)射任務(wù)的快速響應(yīng)。

2 “獵鷹9”運(yùn)載火箭及相關(guān)試驗(yàn)

2.1 “獵鷹9”運(yùn)載火箭

“獵鷹”系列運(yùn)載火箭按照模塊化、通用化、組合化的原則設(shè)計(jì)和研制，強(qiáng)調(diào)高可靠、低成本和易操作，包括“獵鷹1”“獵鷹9”“獵鷹9重型”運(yùn)載火箭。

“獵鷹1”是兩級液氧煤油運(yùn)載火箭，在共底貯箱充壓穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上獨(dú)具特色。火箭全長21.3 m，最大直徑1.7 m，一級采用1臺Merlin-1C發(fā)動機(jī)，二級采用1臺Kestrel發(fā)動機(jī)，起飛質(zhì)量38.6 t，起飛推力約454 kN，近地軌道(Low Earth Orbit，LEO)運(yùn)載能力570 kg，單次發(fā)射服務(wù)價格670 萬美元。2008年9月第4次發(fā)射時取得成功，2009年7月第5次發(fā)射后退役[6]。

“獵鷹9”是在“獵鷹1”基礎(chǔ)上研制的兩級液氧煤油運(yùn)載火箭，在一二級貯箱產(chǎn)品化設(shè)計(jì)和牽制-釋放發(fā)射飛行上獨(dú)具特色?；鸺L70 m，直徑3.7 m，一級采用9臺Merlin-1D(在Merlin-1C發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上提高推力和比沖)發(fā)動機(jī)，二級采用1臺Merlin-1D真空發(fā)動機(jī)(在Merlin-1D發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上增加延長噴管等)，起飛質(zhì)量約549 t，起飛推力約7 606 kN，LEO運(yùn)載能力22.8 t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)運(yùn)載能力8.3 t，單次發(fā)射服務(wù)價格6 200 萬美元。2010年6月首次發(fā)射時取得成功[7]，截至目前共完成26次發(fā)射，24次取得成功。

“獵鷹9重型”是在“獵鷹9”基礎(chǔ)上研制的兩級半液氧煤油運(yùn)載火箭，在火箭一子級與助推器推進(jìn)劑交叉輸送設(shè)計(jì)上獨(dú)具特色?；鸺凇矮C鷹9”基礎(chǔ)上捆綁2個通用芯級助推，全長約70 m，芯級直徑3.7 m，起飛質(zhì)量約1 421 t，起飛推力約22 819 kN，LEO運(yùn)載能力54.4 t，GTO運(yùn)載能力22.2 t，單次發(fā)射服務(wù)價格9 000 萬美元，用以執(zhí)行更大載荷的發(fā)射任務(wù)和后續(xù)的火星探測任務(wù)，尚未進(jìn)行首飛。

進(jìn)行可重復(fù)使用試驗(yàn)的是“獵鷹9”運(yùn)載火箭[8]。為實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用，在運(yùn)載火箭一子級上部和尾部分別安裝柵格舵和可展開式著陸支架，通過主發(fā)動機(jī)3次點(diǎn)火反推實(shí)現(xiàn)減速、降落，使用安裝在一子級上部的柵格舵實(shí)現(xiàn)返回姿態(tài)控制，采用垂直降落的方式返回。

2.2 首次海上成功回收試驗(yàn)

2016年4月9日，“獵鷹9”運(yùn)載火箭從美國卡納維拉爾角發(fā)射場發(fā)射。運(yùn)載火箭在射前35 min液氧煤油推進(jìn)劑同時加注，射前3 s發(fā)出點(diǎn)火指令，0 s升空?；鸺欢蛹壏蛛x后，一子級通過3次點(diǎn)火返回，分別是86 s后3臺發(fā)動機(jī)反推點(diǎn)火，間隔3 min后3臺發(fā)動機(jī)再入點(diǎn)火和間隔1 min后1臺發(fā)動機(jī)著陸點(diǎn)火。一子級返回過程中使用安裝在一子級上部的柵格舵實(shí)現(xiàn)返回姿態(tài)控制，依靠安裝在一子級后部的可展開式著陸支架實(shí)現(xiàn)著陸支撐?；鸺龑⒂行лd荷送入預(yù)定軌道9 min后，一子級成功著陸在距離發(fā)射點(diǎn)約300 km、面積為52m×91m的海上平臺。

2.3 有關(guān)重復(fù)使用回收飛行試驗(yàn)

為成功實(shí)現(xiàn)“獵鷹9”運(yùn)載火箭一子級海上平臺垂直回收，除開展多次發(fā)動機(jī)等地面試驗(yàn)外，2012年起，SpaceX公司先后開展了5類飛行試驗(yàn)：一是8次蚱蜢試驗(yàn)[9]，如表1所示，即1臺發(fā)動機(jī)的一子級發(fā)射回收試驗(yàn)，最大飛行高度744 m，最長飛行時間90 s；二是5次Fal-Dev試驗(yàn)，如表2所示，即3臺發(fā)動機(jī)的一子級發(fā)射回收試驗(yàn)，最大飛行高度1 000 m，最長飛行時間120 s；三是4次利用“獵鷹9”火箭發(fā)射服務(wù)的一子級海上濺落試驗(yàn)，如表3所示；四是1次陸地回收試驗(yàn)，在距離發(fā)射點(diǎn)20 km的陸地成功回收一子級，如表4所示；五是8次海上平臺回收試驗(yàn)，如表5所示。

表1 蚱蜢試驗(yàn)

表2 Fal-Dev試驗(yàn)

表3 “獵鷹9”火箭一子級海上濺落試驗(yàn)

表4 “獵鷹9”火箭一子級陸地回收試驗(yàn)

表5 “獵鷹9”火箭一子級海上平臺回收試驗(yàn)

3 SpaceX公司取得成功的深層次原因

SpaceX公司簡單、低成本、高可靠的產(chǎn)品發(fā)展理念契合空間發(fā)展要求，政府在政策、技術(shù)、人才上給予支持，強(qiáng)大工業(yè)技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐，研發(fā)資金的持續(xù)投入，鼓勵創(chuàng)新的文化氛圍，高效組織的管理模式是該公司走向成功的五大關(guān)鍵。

3.1 政府支持保障是SpaceX公司成功的前提

美國政府在政策、技術(shù)和人才上都給予私營公司巨大支持，是私營公司發(fā)展的前提條件。一是出臺多部政策法規(guī)?！渡虡I(yè)航天發(fā)射競爭辦法》《鼓勵私營航空航天競爭力與創(chuàng)業(yè)法》《航天現(xiàn)代投資法》《商業(yè)航天法》《商業(yè)航天發(fā)射法》和新版《國家航天政策》等政策的出臺，創(chuàng)造了良好的商業(yè)航天發(fā)展生態(tài)環(huán)境，鼓勵和保障私營公司公平參與航天工業(yè)競爭的權(quán)益。二是開放航天領(lǐng)域技術(shù)成果[10]。美國政府將航天飛機(jī)、載人登月等技術(shù)成果向私營公司開放，有效引導(dǎo)和培育軍民航天工業(yè)技術(shù)的雙向流動，并頒布了《國防授權(quán)法》《國家競爭力技術(shù)轉(zhuǎn)移法》《國防工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)軌、再投資和轉(zhuǎn)移法》等政策法規(guī)予以保障。三是給予人才支持。政府直接派出技術(shù)人員助其研發(fā)噴注器等關(guān)鍵技術(shù)，另外公司管理人員和設(shè)計(jì)人員多數(shù)來自波音、洛克希德·馬丁等傳統(tǒng)火箭研制公司，專業(yè)熟練，經(jīng)驗(yàn)豐富。

3.2 強(qiáng)大工業(yè)技術(shù)是SpaceX公司成功的基礎(chǔ)

美國高度發(fā)達(dá)的航天產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)是公司得以快速發(fā)展的基礎(chǔ)條件。從20世紀(jì)60年代開始，美國對航天工業(yè)投以巨資，長期的積累不僅造就了美國航天超級大國的地位，還使其擁有世界上最尖端的技術(shù)和最完備的產(chǎn)業(yè)鏈，同時培養(yǎng)了一大批經(jīng)驗(yàn)豐富的航天工程人員?！矮C鷹9”火箭鋁鋰合金板材、碳纖維復(fù)合材料、攪拌摩擦焊接及箱底旋壓設(shè)備、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程測發(fā)等均采購工業(yè)級產(chǎn)品。SpaceX公司正是在這種強(qiáng)大厚實(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)下，發(fā)揮了新機(jī)制靈活性，激發(fā)創(chuàng)新活力，新產(chǎn)品脫穎而出，青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，節(jié)約了火箭開發(fā)費(fèi)用，加快了研發(fā)速度，爭取了競爭時間。

3.3 研發(fā)資金持續(xù)投入是SpaceX公司成功的保障

SpaceX公司從2002年注冊成立以來，先后研發(fā)了多項(xiàng)產(chǎn)品。在“獵鷹1”首飛期間同時研發(fā)“獵鷹9”運(yùn)載火箭，“獵鷹1”成功后繼而研發(fā)“獵鷹1”升級版和“獵鷹5”，在重新梳理發(fā)射市場需求后放棄“獵鷹1”升級版和“獵鷹5”，在“獵鷹9”首飛成功后積極研發(fā)“獵鷹9重型”和飛船。從艾倫·馬斯克曾在公司官網(wǎng)上發(fā)布的文章可以看到，2002—2010年SpaceX研發(fā)費(fèi)用支出約8億美元。雖然與美國軍方支持的改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭(Evolved Expendable Launch Vehicle，EELV)相比該研發(fā)費(fèi)用降低了一個數(shù)量級，但對商業(yè)公司來說以億美元為單位的年均資金投入不可小覷。正是由于SpaceX公司在產(chǎn)品研發(fā)資金投入上的不遺余力，才使得公司業(yè)務(wù)能力從低軌小型載荷發(fā)射拓展至低軌/高軌中大型載荷發(fā)射，以及空間站貨運(yùn)服務(wù)，造就當(dāng)前發(fā)射服務(wù)合同源源不斷的好局面，保障公司走向成功。

3.4 鼓勵創(chuàng)新的文化氛圍是SpaceX公司成功的激勵

SpaceX公司算不上技術(shù)的原始開創(chuàng)者，但可以稱得上是理念的顛覆者和技術(shù)的集成者，從某種意義上說這種創(chuàng)新比技術(shù)上的突破影響更為深遠(yuǎn)。“獵鷹”火箭研制過程中大膽采用新技術(shù)，包括共底貯箱充壓穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、一子級與助推器推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)、一二級貯箱同型、3D打印發(fā)動機(jī)主氧化劑閥門等。SpaceX公司在經(jīng)歷了“獵鷹1”火箭3次失敗后，屢敗屢戰(zhàn)仍能脫穎而出完成從零到一的蛻變；經(jīng)歷了4次失敗的海上回收試驗(yàn)，終于取得了成功。這些成就的取得，除了政府對扶持私營企業(yè)發(fā)展商業(yè)航天的決心和信心之外，主要取決于公司、航天領(lǐng)域乃至整個美國所倡導(dǎo)的大膽創(chuàng)新、允許試錯的文化氛圍。

3.5 高效組織管理模式是SpaceX公司成功的保證

扁平化的組織結(jié)構(gòu)能夠?qū)?chuàng)新的想法和概念在設(shè)計(jì)層和決策層之間快速傳達(dá)，能夠使相關(guān)決策及早地傳達(dá)到基層并迅速實(shí)施[3]39，提高了團(tuán)隊(duì)工作效率，節(jié)約了管理成本，并降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。SpaceX公司采用扁平化組織機(jī)構(gòu)，沒有部門劃分，各領(lǐng)域員工平等參與技術(shù)研討、設(shè)計(jì)和開發(fā)等工作，讓團(tuán)隊(duì)所有人員都能切實(shí)參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)。產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)過程在扁平組織結(jié)構(gòu)下聯(lián)系更加緊密，研發(fā)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就能考慮結(jié)構(gòu)、材料和工藝之間的關(guān)系和可實(shí)現(xiàn)性，可與生產(chǎn)人員直接溝通，及時了解技術(shù)和工藝水平是否具備投產(chǎn)條件。另外，公司通過扁平化組織結(jié)構(gòu)進(jìn)一步凝聚和鼓舞團(tuán)隊(duì)，促進(jìn)企業(yè)文化與個人理想深度融合。

4 首次海上成功回收試驗(yàn)分析

4.1 與陸地回收相比海上平臺回收的優(yōu)缺點(diǎn)

與陸地回收相比，海上回收有3個優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)主要有：一是便于調(diào)整回收區(qū)域，可根據(jù)每次發(fā)射彈道、入軌點(diǎn)高度、飛行軌跡等情況調(diào)整和確定返回著陸點(diǎn)；二是便于提高運(yùn)載能力，無需返回靠近發(fā)射點(diǎn)的位置，可在發(fā)射彈道沿線選取返回著陸點(diǎn)，便于優(yōu)化返回軌跡，節(jié)省推進(jìn)劑，提高運(yùn)載能力；三是便于安全控制，海上平臺周邊空曠，一旦發(fā)生回收失利情況，造成的損失有限。缺點(diǎn)主要有：一是返回制導(dǎo)和姿態(tài)控制難度增大，與陸地相比海上平臺區(qū)域有限、隨海水上下顛簸，返回制導(dǎo)和姿態(tài)控制精度要求高；二是增加海上平臺控制環(huán)節(jié)，為使海上平臺保持在預(yù)定點(diǎn)，需在海上平臺上增加推力引擎；三是海上環(huán)境惡劣加大回收風(fēng)險，可能出現(xiàn)的風(fēng)暴、大海浪等海況將對回收造成影響，增大風(fēng)險。

4.2 垂直返回可重復(fù)使用是降低發(fā)射成本的可實(shí)現(xiàn)途徑

根據(jù)目前公布的“獵鷹9”運(yùn)載火箭的總體參數(shù)，按照一子級垂直返回進(jìn)行彈道計(jì)算和運(yùn)載能力仿真分析，如表6所示。返回發(fā)射點(diǎn)的原場回收方式，火箭運(yùn)載能力損失超過50%，如表7所示。不返回發(fā)射點(diǎn)的海上回收方式，火箭運(yùn)載能力損失近30%，如表8所示。另外綜合考慮重復(fù)使用運(yùn)載火箭成本、測試發(fā)射費(fèi)用、回收維護(hù)費(fèi)用和利潤等，參考網(wǎng)絡(luò)公布數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，通過計(jì)算，在一子級回收再使用后，火箭發(fā)射費(fèi)用降低30%是可行的，如表9所示。

隨著重復(fù)使用次數(shù)增加，發(fā)射成本將進(jìn)一步降低，但重復(fù)使用達(dá)到一定次數(shù)后，回收維護(hù)費(fèi)將急劇上升，發(fā)射成本可能出現(xiàn)上升趨勢。垂直返回雖然帶來較大運(yùn)載能力損失且對大質(zhì)量有效載荷適應(yīng)能力有所降低，但仍將是運(yùn)載火箭降低發(fā)射成本的可實(shí)現(xiàn)途徑。

表6 “獵鷹9”運(yùn)載火箭相關(guān)總體參數(shù)

表7 原場回收一子級推進(jìn)劑用量及運(yùn)載能力損失

表8 海上平臺回收一子級推進(jìn)劑用量及運(yùn)載能力損失

表9 “獵鷹9”重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)射報價估算

4.3 實(shí)現(xiàn)垂直起降重復(fù)使用還有部分關(guān)鍵技術(shù)需要突破

垂直起降重復(fù)使用運(yùn)載火箭有6大關(guān)鍵技術(shù)：一是泵壓式發(fā)動機(jī)大范圍推力調(diào)節(jié)技術(shù)，即要求發(fā)動機(jī)渦輪泵、密封系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥門等適應(yīng)較寬工況范圍，滿足反推、再入和著陸點(diǎn)火等要求；二是返回過程高精度控制技術(shù)，滿足一子級在返回過程中，穿過平流層“大風(fēng)區(qū)”(高度8～12 km)的姿態(tài)控制、返回著陸點(diǎn)位置控制和垂直姿態(tài)控制等要求；三是返回過程推進(jìn)劑管理技術(shù)，一子級返回過程貯箱內(nèi)部處于微重力環(huán)境，需抑制干擾避免推進(jìn)劑劇烈晃動，滿足微重力環(huán)境下液體推進(jìn)劑沉底等要求；四是著陸支撐機(jī)構(gòu)技術(shù)，著陸支撐機(jī)構(gòu)需要有良好的抗沖擊性能、適應(yīng)傾斜姿態(tài)和水平速度、具備抗發(fā)動機(jī)噴流熱防護(hù)能力等；五是子級再入熱防護(hù)技術(shù)，火箭子級底部發(fā)動機(jī)安裝布局外形復(fù)雜，高速再入熱環(huán)境難以分析預(yù)估，需避免產(chǎn)品燒蝕和保證產(chǎn)品可維修再使用；六是產(chǎn)品可重復(fù)使用設(shè)計(jì)和維護(hù)技術(shù)。當(dāng)前“獵鷹9”運(yùn)載火箭成功完成海上平臺回收，熟練掌握前4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，后2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)還有待一子級產(chǎn)品復(fù)用以便進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.4 “獵鷹9”運(yùn)載火箭或已掌握液氧煤油推進(jìn)劑快速加注技術(shù)

根據(jù)SpaceX公司官網(wǎng)發(fā)布的測發(fā)流程，首次海上成功回收的“獵鷹9”運(yùn)載火箭，射前推進(jìn)劑加注流程較之前發(fā)射飛行試驗(yàn)略有不同。一是加注超低溫液氧煤油推進(jìn)劑。此次“獵鷹9”運(yùn)載火箭加注推進(jìn)劑溫度為液氧-207℃、煤油-7℃，而之前“獵鷹9”運(yùn)載火箭加注推進(jìn)劑溫度為液氧-183℃、煤油16～18℃。二是射前35 min液氧煤油推進(jìn)劑同時加注。美國“宇宙神5”液氧煤油運(yùn)載火箭，以及“獵鷹9”運(yùn)載火箭前期發(fā)射飛行試驗(yàn)，液氧加注時間約為射前2～3 h。若此次公布的“獵鷹9”運(yùn)載火箭測發(fā)流程為真，表明SpaceX公司已掌握大流量、超低溫液氧煤油推進(jìn)劑快速加注發(fā)射技術(shù)，對火箭優(yōu)化測試發(fā)射流程縮短測試發(fā)射時間具有重大意義。

5 對我國運(yùn)載火箭發(fā)展的啟示建議

5.1 加強(qiáng)運(yùn)載火箭低成本發(fā)展目標(biāo)

“獵鷹9”運(yùn)載火箭追求低成本的目標(biāo)宣言和實(shí)際行動引起國際運(yùn)載火箭低成本發(fā)展的又一浪潮，我國運(yùn)載火箭也將低成本作為重要發(fā)展目標(biāo)。建議后續(xù)主要在3個方面加強(qiáng)：一是國家引導(dǎo)層面，注重頂層規(guī)劃，引入競爭機(jī)制，打破當(dāng)前我國運(yùn)載火箭研制壟斷、發(fā)射任務(wù)固定分配的局面，按照發(fā)射價格、產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)水平等直接采購發(fā)射服務(wù)；二是企業(yè)管理層面，充分重視方案論證階段的多方案比較和優(yōu)化，利用信息化技術(shù)加強(qiáng)多學(xué)科集成設(shè)計(jì)和協(xié)同仿真，減少縱向管理層級，縮短決策鏈條，促進(jìn)快速的循環(huán)設(shè)計(jì)和測試；三是產(chǎn)品層面，較高的技術(shù)基礎(chǔ)水平和標(biāo)準(zhǔn)化通用化設(shè)計(jì)將提高產(chǎn)品效費(fèi)比、降低單位有效載荷發(fā)射成本，我國運(yùn)載火箭在輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)材料、自動化高可靠工藝上還有差距，發(fā)動機(jī)推重比等性能也有待提高，在同型號發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)通用子級模塊采用上還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

5.2 加強(qiáng)重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展研究

運(yùn)載火箭重復(fù)使用是實(shí)現(xiàn)低成本進(jìn)入空間的方式之一，建議加強(qiáng)重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)跟蹤與發(fā)展研究。一是跟蹤研究已回收一子級的情況。回收一子級存放方式和存放環(huán)境、回收后的一子級主要維修檢測項(xiàng)目、一子級復(fù)用前更換的部件和開展的地面驗(yàn)證試驗(yàn)等，都將影響重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)射成本降低的程度，從而決定未來重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展?jié)摿?。二是研究重?fù)使用運(yùn)載火箭采購模式。重復(fù)使用運(yùn)載火箭投入使用后，產(chǎn)品使用、產(chǎn)品定價模式等將在一次性運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上發(fā)生變化，必將對火箭管理使用模式造成影響，更加適用于類似空間站固定重量貨物運(yùn)送等“總質(zhì)量任務(wù)承包”模式和星座衛(wèi)星發(fā)射等“團(tuán)購”模式，需要深入研究。

5.3 加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新提升裝備性能水平

“獵鷹9”運(yùn)載火箭一子級海上平臺回收關(guān)鍵技術(shù)多、技術(shù)難度大，SpaceX公司在多次失敗基礎(chǔ)上總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、不斷改進(jìn)創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)突破。我國運(yùn)載火箭發(fā)展也應(yīng)緊緊圍繞創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，鼓勵廣大科研人員技術(shù)創(chuàng)新、勇于實(shí)踐，推動我國進(jìn)入空間技術(shù)不斷進(jìn)步。一是加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。推質(zhì)比約150的Merlin發(fā)動機(jī)技術(shù)、大長細(xì)比火箭制導(dǎo)控制技術(shù)、動力故障監(jiān)測與冗余技術(shù)、箭體海上平臺垂直回收技術(shù)等均為SpaceX公司自主創(chuàng)新研制的成果，使“獵鷹9”運(yùn)載火箭重復(fù)使用成為可能。我國新一代運(yùn)載火箭正在進(jìn)行研制和首飛，固體助推捆綁、芯級捆綁、高性能大推力發(fā)動機(jī)、箭上1553B總線、地面測發(fā)控一體化等先進(jìn)技術(shù)不僅有利于運(yùn)載火箭性能水平提升，還有利于運(yùn)載火箭成本降低，應(yīng)鼓勵創(chuàng)新發(fā)展。二是加強(qiáng)基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。鋁鋰合金共底貯箱結(jié)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)、攪拌摩擦焊先進(jìn)工藝等的使用，造就了高水平“獵鷹9”運(yùn)載火箭。我國航天大量研制保障條件和基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)是通過長期持續(xù)的項(xiàng)目投入積累形成，未實(shí)現(xiàn)整個領(lǐng)域研制能力和工業(yè)技術(shù)水平的同步發(fā)展，需在材料、工藝和元器件等創(chuàng)新方面加強(qiáng)。

5.4 加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證

SpaceX公司“獵鷹9”運(yùn)載火箭成功實(shí)現(xiàn)一子級海上平臺垂直回收，離不開強(qiáng)大厚實(shí)的工業(yè)技術(shù)和專業(yè)技術(shù)支撐，離不開循序漸進(jìn)的地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。我國運(yùn)載火箭發(fā)展也應(yīng)在頂層設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，注重和及早策劃開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證，加大投入，重點(diǎn)在總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、無毒無污染動力、低溫特殊結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)防熱材料等方面取得技術(shù)突破，通過設(shè)計(jì)、研究、驗(yàn)證的迭代反復(fù)，熟練掌握一批先進(jìn)的進(jìn)入空間領(lǐng)域基礎(chǔ)和專業(yè)技術(shù)，為運(yùn)載火箭的性能提升和裝備更新?lián)Q代奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有效滿足我利用和控制空間要求。

5.5 鼓勵和探索民營企業(yè)進(jìn)入航天

從SpaceX私營公司的成功來看，民營企業(yè)進(jìn)入航天，將引入靈活自由的體制機(jī)制、全新的企業(yè)組織管理模式和商業(yè)化運(yùn)作思維，對破除行業(yè)技術(shù)壁壘、推進(jìn)航天技術(shù)水平整體進(jìn)步有積極作用。從國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀來看，建議:一是健全扶持和規(guī)范民營企業(yè)發(fā)展的政策法規(guī);二是建立民營企業(yè)與政府、軍隊(duì)等高效的溝通機(jī)制;三是對民營企業(yè)產(chǎn)品開放航天市場;四是明確國家基礎(chǔ)設(shè)施對民營企業(yè)的配套和保障使用機(jī)制。積極鼓勵和支持民營企業(yè)開展航天產(chǎn)品配套，降低準(zhǔn)入門檻，逐步探索和孕育航天系統(tǒng)一體化解決方案供應(yīng)商。

6 結(jié) 束 語

通過本文對SpaceX公司和“獵鷹9”火箭的梳理和分析，希望:一是引起我國對重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展的重視并提供借鑒，系統(tǒng)規(guī)劃重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展路線，科學(xué)策劃技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證，推動相關(guān)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用；二是為我國航天發(fā)展提供借鑒，促進(jìn)我國形成更加開放的航天市場。

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(編輯：李江濤)

Analysis and Enlightenment of Successful Retrieval of"Falcon 9" Rocket on Offshore Platform

WANG Fang， CHENG Hongwei， PENG Bo

(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology， Beijing 100094, China)

To comprehensively analyze the technical level and development potential of SpaceX’s "Falcon 9" rocket, this paper systemically summarizes the characteristics of SpaceX and the flight tests of "Falcon 9" rocket, discusses the successful experience of SpaceX with Experiential Summary Method and considers the advantages and disadvantages of vertical retrieval on offshore platform and the key technology for reuse. By model assumption and simulation computation, the study results show that, the loss rate of carrying capability of the "Falcon 9" is more than 30% and the launch cost may be reduced by 30%. And then, the paper brings out some key points which should be solved out in follow-up studies of "Falcon 9" development, China’s development strategy in low-cost carrier rocket field and the gap between China and the advanced countries in carrier rocket technology.

"Falcon 9" rocket; vertical takeoff and landing; reuse; low cost

2016-05-16

王 芳(1981—)，女，工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)榭臻g運(yùn)輸系統(tǒng)工程總體。wangfang_yfzx@163.com

V11

2095-3828(2016)06-0069-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.014