文/ 田豐

北京時間2019年4月12日6點35分，美國太空探索技術公司（以下簡稱SpaceX公司）的獵鷹重型（Falcon Heavy）火箭時隔一年再次從肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射臺發(fā)射升空，這款現(xiàn)役最強運力火箭終于迎來了首個正式商業(yè)載荷——一顆重6.46噸的同步軌道通訊衛(wèi)星。發(fā)射后8分半鐘，兩枚助推器率先著陸于陸地著陸場LZ-1、2，隨后芯級也穩(wěn)穩(wěn)落在距發(fā)射場1000公里的無人回收駁船上，彌補了首飛芯級墜海的遺憾，34分鐘后星箭順利分離。至此，三枚火箭同時回收的壯觀景象成為現(xiàn)實，27臺發(fā)動機并聯(lián)設計的可靠性得到進一步驗證。而這次看似平淡的發(fā)射之后，一些潛藏的變化正在航天界涌動，或將對美國宇航局(NASA)的重返月球進程產(chǎn)生影響。

半新半舊，首飛成功，仍具爭議

作為“獵鷹重型”的第二次發(fā)射，本次發(fā)射所用的芯一級和兩枚側助推器均為全新生產(chǎn)的Block5最新改進型，但按照SpaceX公司一貫的“摳門”作風，雖然箭體是新的，但部分梅林發(fā)動機以及助推器頭錐卻是重復使用的。

▲助推器頭錐有明顯的使用痕跡

其中復用的助推器頭錐來自2018年2月7日獵鷹重型火箭首次發(fā)射，當時兩枚助推器在完成發(fā)射任務后與芯級分離，掉頭飛回發(fā)射場并緩緩降落在著陸場上。這個過程被空中的無人機拍攝下來，震撼了世界。隨后，火箭整流罩打開，蔚藍地球背景下紅色特斯拉跑車畫面刷爆了當時各大媒體。

但喧囂過后，這款火箭依然頗具爭議，尤其是這款具有現(xiàn)役火箭中最強運力的火箭首次發(fā)射卻只搭載了一輛不足2噸重的跑車，遭到眾多網(wǎng)友的質(zhì)疑，稱其用了“吃奶的勁兒”卻只打了一堆太空垃圾。但事實上，去年首飛搭載跑車實屬無奈之舉，恰恰證明了當時“獵鷹重型”的最大問題——設計風險大，可靠性不足，訂單少，客戶不敢以身試險。

▲綠光來自三乙基鋁-三乙基硼(TEA- TEB)引火系統(tǒng)的反應，還可以看到火焰底端的激波

▲水平組裝廠房內(nèi)的“獵鷹重型”

▲Starman和特斯拉跑車在太空

可靠存疑，訂單寥寥，急需自證

去年首飛過后的“獵鷹重型”不得不面對一個“空有屠龍刀，卻無龍可屠”的尷尬境地，人們常說“火箭的運力有多大，航天的舞臺就有多大”，SpaceX公司標稱獵鷹重型火箭近地軌道運力高達63.8噸，同步轉移軌道的運力26.7噸，看似大有可為，其實是高不成低不就。

首先，商業(yè)客戶并不需要這么龐大的運力，目前最重的商業(yè)通訊衛(wèi)星也不過7.1噸（Telstar 19V），尚不及其運力上限的三分之一；類似阿里安5火箭的雙星拼車也限于整流罩等原因難以成行，況且高通量同步軌道通訊衛(wèi)星造價高昂，加之多數(shù)客戶對“獵鷹重型”可靠性存疑，發(fā)射報價優(yōu)勢也不明顯，訂單數(shù)量較“獵鷹9”遜色不少。其次，NASA短期也并不需要這款火箭執(zhí)行深空任務，一是因為探測器對發(fā)射窗口及可靠性要求甚高，而火箭可靠性尚未得到充分驗證。“獵鷹9”執(zhí)行了近70次發(fā)射，直到去年末才拿到NASA的LSP-3認證，具備最高價值載荷的發(fā)射資格。美國空軍（USAF）和美國國家偵察局（NRO）雖有所需求，但兩家的載荷歷來以貴出名，經(jīng)常貴過等重黃金，且不容有失，僅成功發(fā)射一次的火箭難言可靠。因此SpaceX公司急需一次正式任務證明自己的設計，最終Arabsat-6A衛(wèi)星順利成為了“小白鼠”。

▲載荷衛(wèi)星效果圖，該星一式兩份，其姐妹星已經(jīng)由阿里安5火箭于今年2月送入軌道

▲星箭分離

▲“Arabsat-6A”衛(wèi)星在廠房

“Arabsat-6A”是一顆采用洛·馬公司LM-2100平臺的高通量通信衛(wèi)星，但問題是這顆衛(wèi)星僅重6噸有余，SpaceX公司自家“獵鷹9”完全可以勝任，緣何大動干戈動用“獵鷹重型”呢？難道只是為了證明可靠性？

你到底能不能打——“獵鷹重型”的運力之謎

“Arabsat-6A”合同簽訂于2015年，那時的1.1版獵鷹9火箭的同步轉移軌道運力僅有4.85噸，因此6.46噸衛(wèi)星在當時選用“獵鷹重型”可謂合情合理。然而世殊時異，“獵鷹9”在4年間不斷迭代升級，運力一路飆升至8.3噸，已經(jīng)輕松涵蓋6噸衛(wèi)星。不過若嚴格按照合同履行，堅持采用“獵鷹重型”也是合理的，但以往也有過“獵鷹重型”訂單下放到“獵鷹9”發(fā)射的情況，這次為什么不這樣做呢？這就要從“獵鷹9”的可回收設計說起了。

自2015年12月首次回收獵鷹9火箭起，經(jīng)過4年瘋狂改進和迭代，SpaceX公司的回收復用技術日漸成熟，但不可避免地損失30%～50%的運力。雖然如此，SpaceX公司依然堅定地將復用道路走了下去，于去年4月推出了“獵鷹9”的Block5型。該型號融合了4年來SpaceX公司所有對垂直回收和重復使用的經(jīng)驗和教訓，是“獵鷹9”的最新改型，單箭體至今最多復用3次，且即將在自家星鏈（StarLink）的首次組網(wǎng)任務中復用第4次，但是Block5型的全面服役也基本終結了SpaceX公司的一次性火箭發(fā)射業(yè)務。公司于去年Block5構型服役起宣布，對商業(yè)客戶除特殊原因外，不再安排一次性發(fā)射，并將對復用火箭發(fā)射逐步打出各種折扣，以吸引客戶。

▲“獵鷹9”的Block5型

▲各種回收狀態(tài)下的運力水平表

▲2011年，獵鷹重型火箭首次公開亮相

迄今為止，SpaceX公司取得了20多次復用火箭發(fā)射成功率100%的成績。因此目前SpaceX公司除特殊政府載荷(如GPS-3首星)外，獵鷹9火箭的運力上限就是5.5噸，當然也有衛(wèi)星超重但自行升軌的情況，篇幅所限不展開。所以目前超過5.5噸的GTO載荷，也就順理成章地成為了“獵鷹重型”的訂單。不僅如此，此次“獵鷹重型”將衛(wèi)星送入了遠地點近9萬公里的超同步軌道，僅此一項就將節(jié)省大量衛(wèi)星推進劑，有望將衛(wèi)星在軌壽命從15年延長至18～20年，這也是客戶冒險選擇“獵鷹重型”的原因所在。

發(fā)射成功后，兩枚助推器將被重新翻修，用于暫定今年6月的STP-2（又稱福衛(wèi)7）發(fā)射，這次發(fā)射中火箭二級將4次點火，進行長達6小時的在軌滑行，最終將23顆衛(wèi)星部署到三個不同的軌道面。此次任務中“獵鷹重型”要向美國空軍和NASA證明，這款火箭完全具備替代聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“宇宙神5”和“重型德爾塔4”的實力，可以以更低價格執(zhí)行各種國家安全發(fā)射（National Security Launch）。但是無論如何，這次成功發(fā)射，進一步驗證了27臺發(fā)動機并聯(lián)設計的可靠性，這勢必對未來運載火箭的設計思路會產(chǎn)生一定影響。

同門改進不斷，“重獵”也有變化

SpaceX公司一直奉行互聯(lián)網(wǎng)式的快速迭代策略，基本就沒有“定型”和“批產(chǎn)”的概念，在過去的數(shù)年間，公司幾乎就沒生產(chǎn)過兩枚完全一樣的獵鷹9火箭。其實此次發(fā)射的“獵鷹重型”也是如此，此次發(fā)射的“獵鷹重型”全面基于2018年5月首飛的Block5型獵鷹9火箭改進而來，推力提升10%，換用鈦合金格柵舵，改進發(fā)動機艙防熱結構，換用新型箭體涂料等等，由于同宗同源，“獵鷹9”的任何改進都將拓展至“獵鷹重型”上，形成協(xié)同效應。

其實從對比圖來看，Block5版本為了更好地復用，首先改進了發(fā)動機艙的密封結構，為了實現(xiàn)推力冗余設計，所有梅林發(fā)動機都具有擺動能力，因此需要可動密封結構保護發(fā)動機，但原有的密封套在最高6～8馬赫的惡劣回收再入環(huán)境下受損嚴重，甚至有些任務中直接被吹爛。因此在Block5版中改成了活動防熱板，此外發(fā)動機艙還增設了銅綠色防熱涂層。

隨著這批改進的實施，“獵鷹重型”的設計將逐步成熟固化，加上兩次成功的演示任務，“獵鷹重型”的銷路已經(jīng)逐漸打開。在去年首次發(fā)射時，該火箭僅有兩個發(fā)射訂單（Arabsat-6A和STP-2）。而隨著去年首飛成功，火箭又相繼斬獲了軍方AFSPC-52、AFSPC-44兩次軍星發(fā)射訂單，以及Ovzon-3和ViaSat-3兩顆高通量商業(yè)通訊衛(wèi)星訂單。隨著此次發(fā)射的成功，“獵鷹重型”的未來之路或將更加開闊，但是縱觀訂單量列表，我們會發(fā)現(xiàn)缺少一個熟悉的身影——NASA。

▲ 水平組裝廠房內(nèi)的火箭

▲發(fā)動機密封套嚴重受損

指不上的SLS，前途看好的“獵鷹重型”

獵鷹重型火箭自誕生之日起到現(xiàn)在，既沒有NASA的現(xiàn)金資助，也沒有其訂單支持。那么這款火箭為何一直不受NASA的“待見”呢？因為在50噸以上運力級別，NASA有著自己“嫡子”——由“波音”負責研制的太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，簡稱SLS）。

但是，轉機出現(xiàn)在2019年初，“波音”在SLS項目上肆無忌憚地拖延、超支和運力縮水，已經(jīng)嚴重影響到了特朗普政府擬定的重返月球計劃表。因此以副總統(tǒng)邁克·彭斯為主的航天委員會要求NASA考慮換用可行的商業(yè)火箭，替代SLS執(zhí)行獵戶座飛船代號EM-1的首次繞月任務，一時間業(yè)界嘩然。NASA局長吉姆·布里登斯廷臨危受命，組織論證滿足條件的替代火箭。初步論證后，發(fā)現(xiàn)能趕得上時間，運力又足夠的，竟然只有SpaceX公司的獵鷹重型火箭，其中包括兩次發(fā)射在軌對接和換用高性能低溫氫氧二級發(fā)射兩種方案。

▲ “波音”太空發(fā)射系統(tǒng)SLS

▲右側是重新涂裝的LC-39A發(fā)射塔，該發(fā)射臺曾用于阿波羅登月

▲ 圖中標注用商業(yè)火箭發(fā)射的，“獵鷹重型”都有機會

雖然最終NASA詳細論證的結果是這兩種方案同樣趕不及在2020年6月發(fā)射“獵戶座”，最終只能繼續(xù)催促“波音”加快進度。但這是“獵鷹重型”第一次正式進入美國重返月球架構的“菜單”之中，而且險些將SLS“踢落馬下”。

在未來以美國為首的環(huán)月空間站建設中，以“電力和推進模塊”為首的部分艙段，和后續(xù)大量貨運任務，都需要大運力、低報價且排期靈活的商業(yè)火箭來擔綱發(fā)射。而縱觀美國現(xiàn)有的運載火箭序列，老一代如重型德爾塔4火箭因報價高昂等原因已經(jīng)進入退役序列，而新一代如“火神”、“新格倫”等火箭因研發(fā)受挫，首飛乃至成熟仍無定期。在此青黃不接的時期，正是“獵鷹重型”大顯身手的好機會。不僅如此，部分深空探測器也已向“獵鷹重型”拋出橄欖枝，例如NASA的歐羅巴快帆任務(Europa Clipper)?？梢韵胍姶舜纬晒Πl(fā)射過后，“獵鷹重型”或將繼續(xù)斬獲各種訂單，本來“無龍可屠”的這位勇士搞不好要忙到“分身乏術”了。如果暫定六月的STP-2任務再獲成功的話，憑借三次成功發(fā)射，兩次部分復用成功的可靠性數(shù)據(jù)，“獵鷹重型”的地位或許又會有微妙的變化。在未來的重返月球任務和世界火箭舞臺上，“獵鷹重型”和SpaceX公司又將扮演怎樣的角色，讓我們拭目以待。