文/陳亮
▲光桿的獵鷹9-v1.2- Block5
▲完整版的獵鷹9-v1.2- Block5版本
美國太空探索技術公司(SpaceX)的各種進展都會引起航天從業(yè)者和愛好者的關注,這兩年我們已經習慣了看到帶著柵格舵和著陸腿的獵鷹9火箭,然而2018年12月23日執(zhí)行美國空軍GPS 3-A-1 任務(載荷為首顆第三代GPS衛(wèi)星GPS 3-A-1)的獵鷹9-v1.2-Block5運載火箭竟然沒有柵格舵和著陸腿,這一簡陋的構型真的已經好久未見了,感覺好像“獵鷹9”出門少穿了幾件衣服……這種配置自然也就意味著這一發(fā)“獵鷹9”不會進行回收。
獵鷹9-v1.2 -Block5火箭自一露面就引起很多討論:這樣一枚設計可以重復使用十次以上的獵鷹火箭,竟然要一次性使用,有沒有搞錯?馬斯克這是受了龍“CRS-16”回收失敗的刺激?還是美國空軍財大氣粗,就是這么任性?
有些人可能會懷疑取消回收是因為受到2018年12月5日美國宇航局“商業(yè)補給服務”(CRS)項目下國際空間站貨運補給任務的龍貨運飛船,任務代號龍“CRS-16”陸上回收失敗的影響,火箭一級落入岸邊不遠的海中。
龍“CRS-16”本來是一次平淡無奇的發(fā)射。唯一特別之處,這是獵鷹9-v1.2- Block5火箭首次執(zhí)行對國際空間站的貨運補給任務。
成功回收已經是近兩年SpaceX公司的常態(tài)。
在龍“CRS-16”發(fā)射之前,“獵鷹9”芯一級(包含重型獵鷹三枚通用芯級回收)在37次(不含傘回收)回收嘗試中,成功降落31次,成功率84%。其中17次已經執(zhí)行了第二次飛行任務,其中包括2次使用“獵鷹重型”助推器。海上回收25次,失敗6次;陸地回收12次,全部成功。
▲“CRS-16”任務中的火箭回收
▲獵鷹9-v1.2-Block5火箭陸地回收失敗后,火箭一級落入海中
出乎絕大多數人的意料,執(zhí)行龍“CRS-16”任務的全新的獵鷹9-v1.2-Block5火箭因為柵格舵伺服系統故障回收失敗。此次回收是SpaceX公司陸地回收首次遭遇失敗。
實際上,美國空軍的GPS 3-A-1任務早就確定了,不可能臨時修改箭體結構。顯然這次任務從一開始就沒打算回收。
從火箭性能方面看,一般是看火箭本身是否采用回收設計或者是否具有回收價值,二看運載能力是否滿足回收要求。
獵鷹9火箭從1.2版本以后,都可以回收。執(zhí)行這次任務的獵鷹9-v1.2-Block5運載火箭屬于最新的“Block5”,是可以重復使用十次以上的最新版本,不存在沒有回收價值的問題。
那就是回收狀態(tài)的運載能力不足?那我們先來看看回收對“獵鷹9”運載能力有什么要求:
問題1:這些年獵鷹火箭都把載荷發(fā)射到了什么樣的軌道?
“獵鷹9”的典型任務包括向國際空間站運送貨物,發(fā)射通信衛(wèi)星和地球觀測衛(wèi)星到地球同步轉移軌道(GTO)和低地球軌道(LEO),包括部分極軌道(PO),以及少量高軌道載荷。高軌道任務包括發(fā)射外太空氣候觀測站(DSCOVR)到太陽拉格朗日 L1點,向月球飛行軌道上發(fā)射凌日系外行星勘測衛(wèi)星(TESS),以及重型獵鷹試飛發(fā)射特斯拉跑車到火星軌道以外的日心軌道。
問題2: SpaceX公司從哪兒發(fā)射?在哪兒回收?回收方式是怎樣的?
SpaceX公司目前使用東海岸的卡納維拉爾角空軍基地、肯尼迪航天中心和西海岸的范登堡空軍基地三個發(fā)射場。范登堡空軍基地可以實現高軌道傾角的發(fā)射(66°-145°),包括極軌道(PO)和太陽同步軌道(SSO),而卡納維拉爾角空軍基地可以實現中等軌道傾角的發(fā)射,最高可達51.6°,主要有近地軌道(LEO)和地球同步轉移軌道(GTO)??{維拉爾角空軍基地的的LC-13發(fā)射臺現已改名為LZ-1,2017年旁邊增建了LZ-2,用于回收重型獵鷹火箭的第二個助推器。
▲卡納維拉爾角和肯尼迪中心的發(fā)射場和回收場(沿海岸線依次為SLC-40、LC-39A、LZ-2、LZ-1)
▲LZ-1和LZ-2,重型獵鷹兩個助推器穩(wěn)穩(wěn)落地就是在這兒
▲SLC-4E發(fā)射場和LZ-4回收場
西海岸的范登堡空軍基地的SLC-4E射向向南,用于發(fā)射極軌道和太陽同步軌道載荷。發(fā)射后的著陸將在鄰近的SLC-4W進行(改建為LZ-4)。
除了三個陸地回收場,SpaceX公司還有引以為傲的海上回收平臺(ASDS),分別為“當然,我依然愛你”、“請看說明書”以及在建的“莊嚴的短缺”。
問題3:回收會對運載能力造成多大的影響?
先來看看“獵鷹9”一次性不回收任務都有哪些。
“獵鷹9”不回收狀態(tài)發(fā)射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛(wèi)星,重量為9600千克(777公里極軌道)。地球同步轉移軌道軌道最大載荷為通訊衛(wèi)星Intelsat 35e,重量6761千克。軌道高度最高當屬“DSCOVR”的太陽拉格朗日L1軌道了。早期1.0版本、1.1版本不能回收,1.2版本只能復用一次,在第二次發(fā)射后多數不回收,這是受到火箭可重復使用性能的限制;部分高軌道發(fā)射任務也不回收,就是受到運載能力的限制了。
▲SpaceX公司海上回收點分布藍色為“獵鷹9”一子級回收點(西海岸)
▲SpaceX公司海上回收點分布藍色為“獵鷹9”一子級回收點(東海岸)
陸地回收則幾乎都用于近地軌道發(fā)射,其中貨運飛船最多(比如這次的龍“CRS-16”貨運飛船)。陸地回收狀態(tài)下發(fā)射過的最大載荷為X-37B OTV-5,重量為4990千克。
海上回收發(fā)射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛(wèi)星(與一次性使用的最大載荷相同),重量為9600千克;地球同步轉移軌道最大載荷為通訊衛(wèi)星Telstar 19V,7075千克。
對比這些數字,我們不難看出,對于現有的地球同步轉移軌道、極軌道、近地軌道任務,“獵鷹9”海上回收的運載能力和一次性使用已經沒有明顯區(qū)別,其中極軌道的載荷已經接近現有過渡支架承載能力的上限;而陸地回收對運載能力有明顯限制,沒有超過5噸,且基本上都是近地軌道。
問題4:回收為什么會對運載能力造成影響?
根據回收過程點火次數不同,“獵鷹9”的一級回收彈道有兩次點火和三次點火的區(qū)別。兩次點火時是在再入大氣層前減速點火和著陸段的制動點火,著陸點在發(fā)射彈道的航跡線下(其著陸點主要由分離位置速度決定),主要采用海上駁船回收方式回收。海上回收點距離發(fā)射點距離約為600~700公里,主要用于發(fā)射地球同步轉移軌道載荷。
對于三次點火回收方式,比兩次點火多一次機動點火(反推點火或叫著陸點修正點火),這次點火的目的是調整回收著陸點,通過這次機動,可將著陸點選擇為發(fā)射場,也可以選擇為其他(可達范圍內)指定著陸點。海上回收點距離發(fā)射點距離為200~400公里,主要用于發(fā)射極軌道載荷(如銥星NEXT),陸上回收點一般用于回收近地軌道的龍飛船。
陸地回收需要三次點火,消耗推進劑量比較大,自然對運載能力的影響最大。而對于海上回收,不需要一子級轉向往回飛,推進劑消耗量自然大減,尤其是遠陸點海上回收,僅需要兩次點火。從實際結果來看,重復使用對地球同步轉移軌道、近地軌道載荷的運載能力的影響比較小,以至于美國宇航局在對比各家火箭運載能力時直接選用了“獵鷹9”重復使用條件下的運載能力。
那么,對于這次發(fā)射美國空軍GPS 3-A-1衛(wèi)星,如果“獵鷹9”進行回收,運載能力到底夠不夠?
首先需要注意的是,這次任務的中地球軌道(MEO)載荷SpaceX公司之前并沒有發(fā)射過。
GPS 3-A-1衛(wèi)星重量為4400千克,軌道為20181公里×20181公里,軌道傾角55°。按照此次任務的時序,火箭二級經過接近一小時的滑行二次關機,高度為1220公里,之后是近47分鐘的無動力滑行直至星箭分離。火箭將衛(wèi)星送入一個近地點不大于1220公里、遠地點約為20000公里的橢圓軌道。根據彈道計算,雖然這次發(fā)射的近地點高于地球同步轉移軌道,但“獵鷹9”海上回收狀態(tài)下運載能力其實能夠滿足發(fā)射入軌的需要。
▲海上回收平臺
而且從此次任務的發(fā)射時序上看,獵鷹9-v1.2-Block5火箭一級工作164秒,在很大程度上降低了二子級的壓力,為這次重要的發(fā)射任務提供了很大余量。
留出這些余量的一個重要目的是為了滿足此次發(fā)射的用戶——美國空軍的特殊要求。美國空軍要求“獵鷹9”的二級有足夠的推進劑用于離軌以再入大氣層銷毀——為了避免產生太空垃圾。此次任務美國空軍方面的主管表示,“獵鷹9”沒有足夠的性能同時滿足空軍的要求和回收——雖然他們在回收這件事上做得很成功。這也就解釋了此次任務中二級發(fā)動機工作時間更短的現象——為了給二級保留更多的推進劑實現離軌,這次留給火箭二級離軌的余量也是非常的充足……
美國空軍在重要載荷的發(fā)射上一貫慎之又慎,“只要有一絲風險或變化,都要最大限度地避免”。比如,就在這次任務中,為了增加發(fā)射的“彈性”,作為第三代GPS的首星,GPS 3-A-1導航衛(wèi)星相比當初的設計增加了半噸多的推進劑……火箭二級非?!白銐颉钡耐七M劑余量更是給發(fā)射上了雙保險。所以,也很難說SpaceX公司這次選擇不回收是因為運力不足還是為了“保成功”,真相大概只有美國空軍和SpaceX公司知道了。
唯一可以肯定的是,美國空軍肯定給了足夠的錢讓SpaceX公司把號稱可以重復使用十次乃至百次的獵鷹9 Block5火箭送入大西洋海底。