獵鷹－9火箭復飛任務亮點分析

龍雪丹 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

獵鷹－9火箭復飛任務亮點分析

Highlights of Falcon 9 Re-Launch

龍雪丹 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

2017年1月14日，美國太空探索技術公司（SpaceX）在范登堡空軍基地使用獵鷹－9（Falcon－9）火箭“一箭十星”，成功將銥星公司（IRIDIUM）的首批“下一代銥星”（Iridium NEXT）發射至高625km、傾角86.4°的目標軌道，有效載荷質量約9.5t，這是獵鷹－9有史以來搭載過的質量最大的有效載荷。任務中，火箭一子級成功返回并垂直降落在太平洋海域的海上平臺。這是獵鷹－9的第29次發射，第7次成功回收，更是自2016年9月靜態點火試驗中爆炸后的首次發射。本次發射原計劃在2016年9月末進行，受9月1日靜態點火爆炸事故的影響而推遲至2017年1月9日，又因天氣原因而再次推遲。

獵鷹－9任務飛行時序

1 亮點分析

此次發射由于其特殊性擔負了諸多使命，不僅要成功部署“下一代銥星”，更重要的是在任務中驗證獵鷹－9靜態點火故障改進的效果，并在任務中完成海上回收一子級。

改變射前操作流程

（1）靜態點火試驗未攜帶有效載荷

美國太空探索技術公司在每次發射之前都會在發射臺上對整箭進行點火試驗，而且也是唯一進行這項射前試驗的發射服務公司。因為太空探索技術公司一個重要的試驗哲學就是，“試驗狀態要接近飛行狀態，以實際飛行的狀態對整箭進行試驗”。所以在發射臺上進行靜態點火試驗就是對發射全流程的演練，包括推進劑加注，發射倒計時時以及一子級發動機點火（點火過程利用發射牽制系統固定火箭），保證各個系統都能夠正常工作。

然而，太空探索技術公司并不是在所有射前點火試驗中都會攜帶載荷，而是要根據用戶的要求，可以在試驗前或試驗后進行星箭對接。之所以要攜帶衛星進行試驗，主要目的是為了縮短發射周期。可以看出，考慮到發射推遲的影響后，攜帶載荷進行靜態點火試驗的情況下，發射周期更短。

2016年9月，獵鷹－9地面試驗過程發生爆炸，火箭攜帶的價值2億美元的以色列阿莫斯－6（Amos－6）衛星也在爆炸中損毀。受此影響，“銥”衛星任務在2017年1月5日的靜態點火試驗中并沒有攜帶有效載荷。火箭在完成試驗后，需要泄出推進劑，在運輸起豎發射車放平后，返回水平裝配廠房，再完成星箭對接。

（2）調整發射前的推進劑加注過程

2017年1月2日，太空探索技術公司宣布完成了2016年9月的事故調查，并說明了事故原因。官方聲明稱，調查人員對事故發生前后超過3000個通道的視頻和遙測數據進行了搜尋分析，充分利用臍帶纜線傳回的數據、地面拍攝視頻、爆炸碎片等線索，并在該公司加利福尼亞州霍桑總部以及德克薩斯州麥格雷戈試驗場進行了多次試驗之后，確定了事故原因。最終得出結論∶事故是由于液氧在復合材料纏繞容器（COPV）的內膽與復合材料層之間累積，導致容器破裂后引起爆炸。

獵鷹－9火箭一、二子級均使用復合材料纏繞容器來存儲氦氣，該容器內膽材料為鋁，外層包裹碳纖維復合材料。調查人員發現，事故中找回的該容器內膽發生變形，雖然金屬內膽變形并不能直接導致氦瓶爆炸，但會使內膽和復合材料層之間產生空隙，使加注的超低溫液氧滲入其中。而且貯箱加壓之后，滲入的超低溫液氧會不斷地在空隙處累積。斷裂的碳纖維或摩擦都可能引燃滲入復合材料層內的液氧，導致容器破裂。此外，調查人員確認向復合材料纏繞容器中充入氦的溫度足夠低，很可能會使超低溫液氧固化，形成固態氧（SOX）。這就大大加劇了氧在內膽與復合材料層之間積累和摩擦起火的可能性。在說明事故原因的同時，太空探索技術公司也提出了改進措施。為避免類似事故，該公司稱在近期將改變復合材料纏繞容器的技術狀態，允許其充入溫度更高的氦，將氦氣充氣操作恢復至之前已完成飛行驗證的技術狀態，這種容器充氣技術狀態已經成功應用了700多次。從長期來看，太空探索技術公司將改進容器的設計，防止其產生變形，以便能夠使用更快的充氣方式。

在此次發射任務中，太空探索技術公司已經調整推進劑的加注過程，在以往獵鷹－9v1.2火箭 的發射任務中，一般是在射前35min同時開始加注超低溫液氧和煤油。為了避免再次出現液氧固化引發復合材料纏繞容器損壞的情況，在此次任務中，該公司調整了推進劑的加注過程，在發射前70min開始加注煤油，在發射前45min開始加注液氧。同時，還降低了容器的氦加注速度。

首次在太平洋海域成功回收運載火箭一子級

獵鷹－9火箭一子級回收過程

此次任務后，太空探索技術公司已擁有7枚回收的獵鷹－9火箭一子級，分別在2次陸地回收和5次海上回收中實現。與此前該公司在大西洋完成的4次海上回收不同，本次是首次在太平洋上實現海上回收火箭，平臺停泊點距離范登堡空軍基地的發射場約370km。本次使用的海上回收平臺此前也不是經常“出鏡”、停泊在東海岸的“當然我還愛著你”（Of Course I Still Love You），而是留守西海岸的“請看說明書”（Just Read the Instructions）。這也是該駁船首次完成海上回收火箭，上一次是在2016年1月賈森－3（Jason-3）高軌道任務中的一子級回收中使用，當時因著陸時支架失效而回收失敗。

此次回收成功，證明歷經多次失敗與成功回收后，太空探索技術公司相對于較難的火箭一子級海上平臺回收技術有了進一步的掌握，日趨成熟。

“一箭十星”拉開“銥”衛星更新換代序幕

本次發射采取“一箭十星”技術，將10顆首批“下一代銥星”送入預定軌道，單顆衛星質量860kg，加上碳纖維衛星支架，共計9.6t，這是獵鷹－9發射過的質量最大的載荷。根據測算數據，此次發射任務條件下，即目標為高625km、傾角87°的圓軌道，并進行海上火箭一子級回收，獵鷹－9v1.2運載能力上限約為12t。

這10顆衛星屬于銥星公司的“下一代銥星”，該計劃涉及81顆衛星，其中包含66顆用以全面替換現有第一代“銥”衛星的低地球軌道（LEO）通信衛星、6顆在軌備用衛星和9顆地面備用衛星。第二代“銥”衛星計劃目標是建立全球衛星通信系統，對整個地面實現100%的持續覆蓋。太空探索技術公司在2010年用4.92億美元的價格簽下了銥星公司70顆“下一代銥星”的發射任務。原計劃使用7枚獵鷹－9火箭在2015－2017年間完成星座部署。但受該公司總體發射任務推遲的影響，現計劃在未來18個月完成部署。

獵鷹－9火箭復飛任務有效載荷

面對第二代“銥”衛星計劃，銥星公司和太空探索技術公司都背負了沉重的壓力。對于銥星公司而言，由于第一代“銥”衛星星座的衛星原本設計的使用壽命為7～10年，但它們如今已運行了19年之久，因此急需對原有的衛星網絡進行一次“大換血”。他們需要在現有衛星失效之前，將新的星座衛星部署完畢。目前，該網絡的通信服務已經出現了一定問題，隨著時間的推移，問題只會更加嚴重。另外，銥星公司在部署第一代“銥”衛星星座的衛星時，由于選用的是不同的運載火箭，因此能夠迅速完成部署，而此次計劃的“下一代銥星”中的81顆衛星已有70顆確定了發射任務，并全部交由太空探索技術公司。按照該公司的發射能力，即使每次發射10顆，也需要14個月才能完成任務。況且銥星公司也不是太空探索技術公司唯一的客戶，美國航空航天局（NASA）等重要客戶優先于該公司。再加上發射成功的不確定性，如想按期完成任務難度很大。

2 小結

太空探索技術公司在采用新技術和新方法上一向比較大膽，例如∶為提高火箭性能，采用超低溫推進劑；為探索重復使用技術，在發射任務中開展驗證；為縮短發射周期，整箭攜帶有效載荷進行靜態點火等。但創新帶來的問題也是顯而易見的，正是由于對新技術的風險評估不到位，才造成了上一次爆炸事故。太空探索技術公司為實現復飛，改變射前操作，調整發射前的推進劑加注過程，不在靜態點火試驗中攜帶有效載荷，避免悲劇再現。上述事實再一次告誡我們，新技術的應用不能以犧牲可靠性為代價，新技術、新方法的引入，應充分考慮其附加影響，對實際能夠產生的效果和潛在的風險進行詳細評估。

太空探索技術公司又一次成功完成了海上平臺回收任務，證明其對該技術的掌握越來越成熟，后續更值得關注的是該公司計劃在2017年首次利用回收的獵鷹－9火箭一子級再次執行發射任務，有效載荷為歐洲衛星公司（SES）價值數十億美元的歐洲衛星公司－10通信衛星，一旦發射成功并再次完成回收，將對人類航天技術帶來顛覆性變革。

太空探索技術公司歷經爆炸事故能夠順利重返航天發射舞臺值得慶幸，但他們還需要進一步向客戶證明獵鷹－9火箭系統的可靠性。同時，發射任務屢遭推遲也是其需要克服的困難。該公司稱，2017年的目標是執行20～24次發射任務，之后每年將增加50%。而其目前發射次數最多的是2016年的8次，發生爆炸之后發射活動被迫終止，開展故障調查和改進。未來，面對高密度的發射計劃，太空探索技術公司能否保證其獵鷹－9火箭可靠性仍然是一個挑戰，尤其是在考慮到未來將采用回收火箭一子級執行發射任務的情況下。