獵鷹九號一箭三飛，進入標準化復用時代！

+ 梁昊鵬

1、任務簡介

太平洋標準時間2018年12月3日上午10點34分（北京時間12月4日凌晨2點34分），太空探索技術公司成功從范登堡空軍基地發射助推器編號為B1046.3的獵鷹9號全推力5型火箭，執行代號為SSO-A的飛行任務（如圖1.1）。本次任務實現了兩個重大目標：成功部署了64個載荷，打破了美國一次性部署載荷數量的記錄；成功完成了全推力5型（Full Thrust Block 5）一級火箭的第三次飛行和再入回收。第三次復用的成功，標志著太空探索技術公司距離火箭的標準化復用又近了一步。

圖1 SSO-A任務徽章

本次任務取名為“太陽同步軌道A：小衛星速遞”，火箭使用太空飛行公司（SpaceFlight）設計制造的集成載荷棧（integrated payload stack）攜帶了64枚載荷，包括來自德國、巴西、芬蘭等17個國家的小衛星和洛杉磯藝術博物館資助的實驗性藝術項目“以諾”（ENOCH）?；鸺?分45秒后，一級成功降落在海上平臺上。在升空后的43分鐘內，運載器完成了對載荷的6次初步部署。所有載荷在火箭升空后7小時內通過載荷棧完成了最終部署，到達預定位置。太空探索技術公司在本次發射中再次嘗試了對整流罩的回收。公司CEO馬斯克表示，整流罩在這次回收中雖然沒能準確落至回收網內，但已能平緩的落至海面。另有業內人士分析，由于海水可能對整流罩內的電子器件產生破壞，這枚整流罩可能無法再次使用。

這次任務并不是太空探索技術公司在2018年的收官之作。太平洋時間12月5日，助推器編號B1050.1的獵鷹9號火箭成功執行了代號為CRS-16的龍飛船發射任務，為國際空間站運送補給物資；但在再入回收過程中，這枚火箭驅動柵格舵的液壓油泵停轉，導致火箭回收失敗。這次任務也是獵鷹9號火箭從2016年6月以來唯一失敗的回收。另外，太空探索技術公司預計于12月18日再次開展發射任務，使用一枚全新的獵鷹九號火箭將美國空軍的GPS IIIA-01衛星發射至中地球軌道（MEO）。

2、獵鷹9號的總體參數概述

獵鷹9號是由美國太空探索技術公司設計和制造的二級火箭，也是世界上第一款具有軌道運輸能力的可重復使用火箭。截至2018年12月5日，該型火箭總共進行了64次發射。自2010年6月第一次發射至今，太空探索技術公司對該火箭進行了4次重大的更新升級。目前，獵鷹9號的在役版本為全推力5型，火箭直徑3.7米，在配備整流罩以搭載衛星時全高70米，總質量549.1噸。其低地球軌道（GEO）運載能力為22.8噸；地球靜止軌道轉移軌道（GTO）運載能力8.3噸。

圖2 火箭結構示意圖

獵鷹9號全推力5型火箭為兩段式結構，如圖2所示?；鸺囊患壟c二級之間有一中間級（interstage），用于級間的分離和連接?；鸺诖钶d“龍”飛船時，不需要使用整流罩；而在搭載衛星及其他載荷時，則需使用高13.1米，直徑5.2米的整流罩為載荷提供保護。火箭的箭身使用高強度鋁-鋰合金制造；一級火箭的推進劑貯箱則以鋁合金為材料、使用摩擦攪拌焊接的方式制造。推進劑貯箱為聯體設計，上半部分為硬殼構型的液氧貯箱，下半部分則為蒙皮骨架構型的煤油貯箱；液氧貯箱使用穿過煤油貯箱中間的隔熱傳輸管與發動機相連。二級火箭的推進劑貯箱結構與一級火箭貯箱類似。連接一二級火箭的中間級使用碳纖維面板包夾蜂窩鋁芯層的復合材料制造，具有多項功能：一用于分離火箭的一級與二級，二則為二級火箭的大擴張比發動機提供安裝空間。火箭一、二級分離時，中間級與二級火箭下部脫開，隨一級火箭再入回收。

獵鷹9號全推力5型的一級火箭并聯安裝有9臺梅林1D強化發動機，工作時長162秒，海平面推力7607千牛，真空推力8227千牛，具有自主回收和復用能力。梅林發動機為燃氣發生器型的液氧-煤油雙組元發動機，單臺發動機海平面推力845千牛，真空推力914千牛；具有多次點火能力和推力調節能力。以太空探索技術公司2015年發布的數據為例，梅林1D發動機（未強化版）海平面推力調節范圍為529千牛到756千牛，推力的可調節范圍占最大推力的30%?；鸺患壨ㄟ^控制9臺發動機提供的推力和上部柵格舵提供的氣動力，保持再入時姿態與航跡的穩定，完成地面及海面的定點降落。同時，火箭的并聯發動機設計也提供了很高的可靠性，能夠在任意一臺發動機失去推力的情況下將載荷送入軌道。

圖3 一級火箭發動機示意圖

獵鷹9號全推力5型的二級火箭僅安裝一臺真空梅林發動機，工作時長397秒，真空推力934千牛，推力可以從360千牛調節至934千牛。二級火箭裝備冗余點火系統，以保證穩定的多次點火能力；從而能夠多次機動將不同載荷部署在預定的不同軌位。

獵鷹9號火箭使用地面固定發射裝置發射。目前，位于美國西海岸的范登堡空軍基地與位于美國東海岸的約翰肯尼迪航天中心及卡納維拉爾角空軍基地均能支持該型火箭發射。由于使用九臺發動機并聯工作，獵鷹9號采用了延遲釋放發射方式以保證發射安全?；鸺c火以后，直到火箭各個系統的正常工作信號得到確認，發射機構才會釋放火箭。

3、愈發明晰的標準化復用前景

12月3日的一箭三飛讓埃隆·馬斯克和太空探索技術公司制造標準化復用火箭的前景更加明晰。全推力5型火箭作為獵鷹9號的定型產品，是承接該公司現在與未來的關鍵橋梁。在2018年5月全推力5型第一次發射前的電話記者發布會上，馬斯克表示，在太空探索技術公司完成“大獵鷹火箭”（Big Falcon Rocket）之前，B5版本將是獵鷹9號最終的最終型號。

據馬斯克所述，在設計上，全推力5型能夠在不進行重大翻新的前提下執行超過10次飛行任務。太空探索技術公司也相信，全推力5型實際上能夠勝任100次以上的飛行。

按照馬斯克的規劃，在2018年底，太空探索技術公司將能完成10次全推力5型火箭的發射。而在2019年，則真正實現獵鷹9號的快速標準化復用——即在24小時內使用同一枚芯級完成兩次發射。在未來的五年內，太空探索技術公司希望能夠使用獵鷹9號進行300次左右的發射，將該型產品打造成公司的經濟支柱。而在這之后，大獵鷹火箭將能夠取代現役的獵鷹9號和重型獵鷹，幫助馬斯克實現他將人類改造為跨星際物種的夢想。

3.1 復用技術的升級

在獵鷹9號火箭的發展過程中，全推力版本的推出標志著火箭的總體設計基本定型。從2016年3月4日發射第一枚全推力型獵鷹9號開始，太空探索技術公司總共制造了28枚共3個型號的獵鷹9號全推力型火箭，進行了44次成功的發射。在這44次發射中，太空探索技術公司嘗試并成功進行了31次回收，另失敗3次。在回收的火箭中，14枚火箭成功進行了復飛，另有兩枚火箭改裝成重型獵鷹火箭的助推器再次升空。12月3日的發射任務更是完成了火箭的3次復用。獵鷹9號從剛出生時的屢戰屢敗一路走來，已經成為一款能夠穩定執行發射、回收、復用任務的革命性運載器。而如今，業界關心的，也不再是火箭能否復用；而是火箭能夠承擔的復用次數和復用所需的時間間隔。

獵鷹9號全推力火箭共有三個主要型號，即基本型、4型與5型?；拘突鸺^早期的v1.0及v.1.1版本有大量的升級，包括改換梅林1-D發動機，降低燃料存儲溫度，優化柵格舵、著陸支架和發動機布局等等。而全推力4型則是基本型與5型之間的過渡版本。全推力5型一方面升級了梅林1-D發動機，將發動機推力提高了8%；另一方面，針對復用的可靠性與快速性進行了升級。包括：

1）強化了柵格舵的抗溫能力；

2）在一級火箭外部增加熱保護層，以減小再入加熱對火箭的損傷；

3）對發動機的閥門進行優化，增加其工作壽命；

4）重新設計了復合材料的高壓氦氣瓶，防止低溫液氧對其造成破壞；

5）使用螺接方式制造一級火箭的發動機安裝結構——OctaWeb，以縮短制造時間。

3.2 復用可靠性的提升

太空探索技術公司不斷地對獵鷹9號進行技術升級以提升其復用性能。而從獵鷹9號執行發射任務的情況來看，其復用性能也確實在不斷提高。目前，太空探索技術公司總共制造了16枚全推力基本型火箭，7枚全推力4型火箭與5枚全推力5型火箭；分別執行了23次、12次、9次發射任務。其中，全推力基本型火箭的復用比例為56.3%（9枚/16枚）；全推力4型火箭的復用比例上升至71.4%（5枚/7枚）。而全推力5型目前尚在服役，除去回收失敗的B1050.1火箭，按計劃其余火箭均將進行多次復飛。全推力基本型獵鷹9號復用比例較低的原因來源于運力問題。由于發動機推力不足，全推力基本型獵鷹9號在執行大質量載荷GTO軌道運輸任務時常常沒有足夠的燃料再入并精確降落，而這一問題在全推力4型火箭上依然存在。隨著全推力5型火箭換用梅林1D強化發動機，獵鷹9號運送GTO載荷并返回的能力在2018年7月22日的任務中得到了驗證。在這次任務中，獵鷹9號將這一運載能力從5噸提升至7噸，從而能夠勝任絕大部分發射商用載荷的任務并復用。

表一 獵鷹9號發射情況統計

表二 獵鷹9號復用時間間隔統計

3.3 復用時間間隔不斷縮短

從復用時間上來看，不考慮改裝為重型獵鷹助推級的兩枚火箭，獵鷹9號全推力火箭（基本型）的平均復用間隔為226天；而全推力4型的平均復用間隔則為176天；到全推力5型，這一指標進一步縮短到95天。

雖然說火箭的復用時間間隔既會在與火箭使用方的對接中產生波動，也會由于發射窗口原因而不能完全反應火箭真實的檢修維護時間，但平均復用時間間隔的大幅度縮短依然反應出獵鷹9號復用時間效率的提升。平均復用時間間隔的快速縮短一方面來自于太空探索技術公司針對火箭復用可靠性進行的大量改進；另一方面，也來自太空探索技術公司火箭在一次次的發射中對火箭復用檢修程序的優化。

一般來說，一枚火箭在完成組裝和測試后，仍需要10天到30天左右的時間完成與衛星的對接。除非太空探索技術公司能采用全新的技術實現火箭與衛星的標準化對接，否則馬斯克很難在明年實現其24小時內完成復用的目標。當然，將復用的時間縮短至30-45天依然有很大希望；而這一點，已足夠再一次撼動目前的航天發射市場，讓獵鷹9號無論從性能、發射價格以及發射次數上達到對其它型號火箭的絕對優勢。

4、總結

太空探索技術公司在18年年末的SSO-A任務中完成了獵鷹9號火箭的一箭三飛和回收，樹立了獵鷹9號火箭發展的又一個里程碑。而通過對歷史發射數據的分析也表明，太空探索技術公司通過對獵鷹9號的不斷更新升級，確實提高了該型火箭的復用可靠性與快速性。由此，埃隆·馬斯克距離其火箭標準化復用的夢想也越來越近。