獵鷹系列火箭總體設計特點

□ 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，結構設計、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”設計中，都得到應用。通用芯級可以簡化火箭設計工作，簡化貯箱和發動機的生產線，有利于快速批量生產，降低生產成本，提高制造質量。

不過，Space X的“獵鷹”9重型火箭，在通用芯級理念的基礎上，加入了“交叉輸送”技術。傳統的通用芯級構型的火箭，芯級與助推器之間僅有結構的連接，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，實現一級半到達近地軌道（LEO），兩級到達地球同步轉移軌

道（GTO）。Space X宣稱“獵鷹”9重型火箭在使用“交叉輸送”技術時，可將53噸載荷送入LEO軌道，如果發射的載荷沒這么重的話，則關閉該系統，這時候火箭的LEO運載能力會下降到45噸。“交叉輸送”并不是由Space X最早提出，卻是Space X第一個應用的。

通用發動機理念

兩型火箭的芯一級、助推器、二級都使用同一種發動機，其中，“獵鷹”9V1.1一級使用了9臺Merlin 1D發動機，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動機，一級多臺并聯滿足大推力要求，二級增大噴管擴張比滿足性能要求的設計思想，可以降低單臺發動機推力要求，減少發動機型號，因而可以降低運載器研制難度，縮短研制時間，節省經費。這一思想最早出現于20世紀60年代，前蘇聯的SS-7、SS-9戰略導彈（后改為“旋風”運載火箭），歐洲的“阿里安”1-4系列運載火箭，我國的“東風”四號戰略導彈，“長征”二、三、四號系列運載火箭都貫徹了這一理念。這些導彈和運載火箭在長年的服役中都獲得了優異的發射成功率。

動力冗余技術

雖然通用發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彈和火箭，一級一般只有4臺發動機并聯使用。發動機并聯數量過多，會直接導致動力系統整體的可靠性降低。簡單來說，即使每臺發動機的可靠性高達0.99，但如果一臺發動機出現故障就可以導致飛行失敗的話，那么9臺發動機的可靠性就只剩下0.99的9次方0.91了，27臺發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研制的N-1登月火箭，其一級并聯使用了30臺NK-15發動機，導致動力系統和推進劑輸送系統空前復雜，結果是N-1火箭4次飛行4次失敗，其中一次是在發射臺上直接爆炸，三次凌空爆炸。

有了N-1的先例，航天界紛紛對Space X設計的9機并聯、27機并聯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計上采用了動力冗余技術，即9臺發動機中，一兩臺發動機出故障不會對發射成功造成影響。具體是：在起飛后的90s內一臺發動機故障關機、90～160s內兩臺發動機故障關機都不會影響飛行安全。

動力冗余技術的基礎是發動機狀態實時監測系統，以及故障診斷與處理系統技術。火箭在發射臺點火后，通過這兩個系統快速判斷9臺發動機是否工作正常，如果參數出現異常則立即關機停止發射。只有當所有數據表明發動機正常工作后，發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責檢測各臺發動機狀態，若有某臺出現異常則立即關機，防止出現不可控的爆炸等嚴重后果。

2012年10月，“獵鷹”9火箭執行第二次國際空間站貨運補給任務時，就出現了一臺發動機故障關機的情況，動力冗余技術發揮了關鍵作用，最終“龍”貨運飛船還是進入了軌道。搭載的全球衛星數據通信公司的一顆小衛星受此影響卻未能進入預定軌道。這次飛行，實際驗證了動力冗余技術的有效性，在某些情況下可以力挽狂瀾。

“獵鷹”9一級的9機并聯動力系統

Space X的火箭貯箱生產線

大量使用商用成熟技術

得益于美國雄厚的工業基礎和政府對航天技術幾十年的巨大投入，Space X可以輕松地在市場上采購到成熟的火箭生產設備、原材料，以及貨架式產品，如導航/控制系統中的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，在波音公司“德爾它”II、IV運載火箭的貯箱生產上已經使用多年，并在工業焊接市場得到廣泛應用。

獵鷹系列火箭的導航/控制系統，是在商業Linux操作系統上自主開發的，使用的電子元器件也多是商業級的成熟批量產品。與傳統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，每枚火箭上的導航/控制系統有三重冗余，足以保證飛行安全。

致力于可重復使用

運載火箭的硬件成本（箭體、發動機等）占發射成本的60%～70%，而推進劑費用只有20%左右。一直以來，實現火箭的重復使用，大幅度降低發射成本都是航天界的夢想，艾倫?馬斯克也不例外。從獵鷹系列火箭設計之初， 馬斯克就堅持要開發火箭重復使用技術，尤其是對最長最重的一級。馬斯克宣稱，實現重復使用后，獵鷹系列火箭的發射價格，還能在現有價格上對折，真正實現他的目標——每千克載荷發射入軌費用降低到1000美元。在“獵鷹”9早期的設計中，曾經有過使用降落傘濺落海面回收一級的方案，但是分析和飛行數據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，并啟動一臺發動機，通過發動機推力的控制，使火箭垂直降落在著陸場上。這個相當“科幻”的重復使用概念，早在1990年就已經提出，麥道公司（1997年并入波音）在1991～1996年間，曾經開發了兩型“德爾它”快帆驗證機，對相關技術進行飛行驗證。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）技術驗證機，在德克薩斯州試驗場開展VTVL技術試驗，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，還面臨嚴重的推進劑不沉底、氣動載荷、姿態失控、高空橫風等問題，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，設計了4個可折疊的著陸支撐腿，并為一級安裝了姿態控制發動機系統（使用冷氣推進）。2014年4月19日，在“獵鷹”9V1.1執行第三次ISS商業貨運任務時，支撐腿正式亮相。此次飛行的目標是實現一級分離后的姿態控制，以及可控減速；飛行數據表明這些目標基本實現。在“獵鷹”9V1.1后續發射任務中，Space X將繼續對VTVL技術進行驗證，具體進展有待后續關注。

“獵鷹”9V1.1火箭上的著陸支撐腿（折疊狀態）

“蚱蜢”垂 直起降技術驗證火箭