直達靜止軌道的獵鷹火箭上面級

+ 張雪松

直達靜止軌道的獵鷹火箭上面級

+ 張雪松

NROL-76任務(wù)徽章。該次任務(wù)是太空探索技術(shù)公司首次進軍軍用發(fā)射市場。

我國遠征一號上面級可以進行兩次點火，使用常規(guī)推進劑

5月1日，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹九號火箭執(zhí)行國家偵察局的NROL-76任務(wù)，發(fā)射了一顆近地軌道軍用衛(wèi)星，火箭第一級回收成功，不過更引人注目的是火箭第二級進行了長達3.5小時的滑行后再次點火成功。獵鷹火箭第二級的滑行和點火試驗，為上面級具備直送靜止軌道的能力鋪平了道路，假以時日聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的運載火箭將面對更激烈的競爭。

直送靜止軌道的關(guān)鍵：長時間滑行和再次點火能力

獵鷹九號火箭進行第二級滑行和再點火試驗，目標(biāo)是突破和掌握長時間滑行后點火的技術(shù)，實現(xiàn)將衛(wèi)星直接送入靜止軌道等高軌道的能力，成為直達靜止軌道的太空擺渡車。一般地說，運載火箭將衛(wèi)星送入近地軌道、極地軌道或是同步轉(zhuǎn)移軌道，而直接送入靜止軌道的發(fā)射很少，這主要是因為直送靜止軌道的難度高，不僅需要火箭為衛(wèi)星提供更高的速度，還需要進行長時間的滑行，等到火箭與衛(wèi)星的組合體飛到同步軌道高度的遠地點后再點火提升近地點和削去軌道傾角，最后進入赤道上空的靜止軌道。直送靜止軌道主要的難點，就在于長時間滑行以及其后可靠的點火工作，為此需要研制先進的上面級。

說起上面級我們并不陌生，我國長征七號和長征五號火箭首次發(fā)射時分別使用了遠征一號甲和遠征二號上面級，它們都是專用的太空擺渡車，使用常規(guī)的常溫自燃推進劑，具備多次點火啟動和長時間滑行飛行的能力，俄羅斯的弗雷蓋/Fregat和微風(fēng)/Breeze上面級同樣使用這樣的設(shè)計，和聯(lián)盟以及質(zhì)子火箭相結(jié)合，多次點火后具備將衛(wèi)星直接送入高軌道以及靜止軌道的能力。質(zhì)子火箭使用微風(fēng)M上面級可以將最大質(zhì)量3.7噸的衛(wèi)星直接送入靜止軌道，我國的長征五號火箭結(jié)合遠征二號上面級，直送靜止軌道的運載能力為約5.1噸。

俄羅斯的微風(fēng)上面級可以進行多次點火，將衛(wèi)星直接送入靜止軌道

常溫自燃推進劑具有存儲方便和點火可靠的特點，但這種組合的比沖較低，尤其是遠低于液氧液氫推進劑組合。美國也有將衛(wèi)星直接送入高軌道和靜止軌道的需求，但美國航天界藝高人膽大，走的是另一條路線，也就是長時間滑行加多次點火的低溫上面級。美國最著名的低溫上面級當(dāng)屬半人馬座系列，它被形象的稱為“太空千里馬”，這種20世紀60年代研制成功的先進上面級使用不銹鋼殼體的共底儲箱減輕自身質(zhì)量，使用高比沖的RL-10系列氫氧發(fā)動機。更有意思的是不銹鋼導(dǎo)熱率比傳統(tǒng)的鋁合金低得多，不論是儲箱共底部分還是外殼部分導(dǎo)熱都更慢，降低了溫度控制的難度。

美國研制了技術(shù)更先進的半人馬座氫氧上面級，三次點火將衛(wèi)星送入靜止軌道

半人馬座上面級在電源、姿控和推進劑管理等多方面精心設(shè)計，具備6.5小時左右的長時間滑行能力，而膨脹循環(huán)的RL-10氫氧發(fā)動機又具備多次啟動能力，它具有長時間滑行后點火啟動，將衛(wèi)星直接送入靜止軌道的能力。從理論上說，半人馬座這樣的上面級三次點火即可將衛(wèi)星送入靜止軌道，目前Atlas V火箭的直送靜止軌道正是這樣實現(xiàn)的，而對長征五號火箭來說，是由二級火箭將遠征二號上面級和衛(wèi)星的組合體先送入同步轉(zhuǎn)移軌道，隨后遠征二號上面級再在遠地點點火變軌，實際上相當(dāng)于長征五號火箭的第二級和遠征二號上面級組合起來實現(xiàn)半人馬座三次點火的過程。

總而言之，對于一種運載火箭來說，要實現(xiàn)將衛(wèi)星直接送入靜止軌道的能力，長時間滑行以及滑行之后的再次點火能力是必須的。太空探索技術(shù)公司是目前最成功的新型商業(yè)航天公司，它的獵鷹九號火箭頗具傳奇色彩，已經(jīng)挑戰(zhàn)了阿里安宇航公司和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟在商業(yè)和軍用發(fā)射市場的地位，但要和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟進行全面競爭，獵鷹火箭還需要具備直送靜止軌道的能力，以發(fā)射美國空軍和國家偵察局特殊需要的軍用衛(wèi)星。

獵鷹九號火箭，目前來說，無論發(fā)動機還是箭體都屬于一流水平

獵鷹九號火箭二級的干質(zhì)比不斷提高，可以提供將衛(wèi)星直送靜止軌道的速度

在快速迭代中蛻變，獵鷹九號火箭掌握直送靜止軌道技術(shù)可期

獵鷹九號火箭其實先天不足，研制階段只能使用推力不大的梅林一號液氧煤油發(fā)動機，為此第一級不得不使用9發(fā)并聯(lián)的設(shè)計，為火箭提供足夠的推力。然而就是這種出身不佳的獵鷹九號火箭，經(jīng)過迭代式的不斷改進后，早已有了脫胎換骨的提高。首先是梅林一號C發(fā)動機的推重比和推力有了很大提高，到梅林一號D發(fā)動機更是成為有史以來推重比最高的液體火箭發(fā)動機，推力達到了845千牛（86.2噸），相比當(dāng)年梅林一號A不過340千牛（34.7噸）的地面推力，居然提高了兩倍半之多。獵鷹九號火箭使用比沖較低的梅林系列液氧煤油發(fā)動機，但通過提高箭體干質(zhì)比達到了較高的性能，無論是早期獵鷹九號V1.0還是現(xiàn)在的獵鷹九號Block 4，第一級和第二級的箭體干質(zhì)比都相當(dāng)出色，獵鷹九號火箭以二級液氧煤油發(fā)動機就可以發(fā)射同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星，超高的干質(zhì)比是根本原因。對比之下其他國家結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量大，只能使用液氧液氫發(fā)動機或是三級火箭，印度更是作出了四級的PSLV火箭發(fā)射同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星。

太空探索技術(shù)公司還在繼續(xù)改進獵鷹九號火箭，據(jù)稱現(xiàn)在獵鷹九號火箭第二級干質(zhì)比超過20，而根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，干質(zhì)比提高對于性能提高同樣是立竿見影的。憑借第一級超過25、第二級超過20的干質(zhì)比，以及新的梅林1D+真空版發(fā)動機的優(yōu)異性能，獵鷹九號火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力可達8.3噸，運載效率直追使用氫氧發(fā)動機的運載火箭。獵鷹九號火箭第二級超高的干質(zhì)比，意味著它使用比沖一般的液氧煤油發(fā)動機也可以提供很高的速度增量，還為它具備直送靜止軌道能力奠定了基礎(chǔ)，接下來要做的，其實就是長時間滑行和遠地點點火了，而這正是獵鷹九號火箭不斷試驗的內(nèi)容。通俗地說，獵鷹九號火箭試圖“山寨”半人馬座上面級的成功，通過火箭第二級的三次點火和長時間滑行，實現(xiàn)直接將載荷送入靜止軌道的能力。

NROL-76任務(wù)中獵鷹火箭第二級實現(xiàn)了3.5小時滑行，距離實際需求的6個多小時已經(jīng)不遠，隨著后續(xù)試驗的繼續(xù)進行，我們將看到獵鷹九號火箭實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)移軌道遠地點的點火升軌。重型獵鷹即將首飛，今后重型獵鷹火箭的強大基本運力結(jié)合直送靜止軌道能力的第二級，將具備和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的重型“德爾塔4”火箭競爭的能力。