一次轟動世界的發射 “獵鷹重型”到底牛在哪

張亦馳

當地時間2月6日，美國SpaceX公司的“獵鷹重型”在肯尼迪航天中心的39A發射場成功發射。該發射場曾用于執行“阿波羅”登月飛船和航天飛機發射任務，這兩種航天運載器是當時美國和世界上最大的航天運載器，“獵鷹重型”重現了這一輝煌。

“獵鷹”火箭家族——“獵鷹重型”火箭作為現役最大的火箭，載重大本身是一個巨大的優勢和亮點，這涉及復雜的工程問題，實現起來非常難。實際上，“獵鷹重型”不僅是目前運載能力系數最大的火箭，其發動機的推重比最大，還采用了一系列提高可靠性的技術。可以說，龐大的新技術、新理念讓它坐上了當今最強火箭的寶座。

現役火箭運載能力系數最高

“獵鷹重型”的一個先進之處在于運載能力系數非常大。運載能力系數是指其最大有效載荷與起飛重量的比值。這個數值越大，意味著火箭能以更小的重量，扛起更大的載荷，說明火箭總體設計優秀。對于大型、重型火箭而言，這一指標可以大大瘦身，降低總體重量、減少燃料、降低總體成本。更難得的是，“獵鷹重型”的高運載能力系數是以最簡單的燃氣發生器循環的液氧煤油發動機達到的。

如果以其近地軌道（LEO）有效載荷63.8噸、最大起飛重量1428噸算，“獵鷹重型”運載系數高達0.0447。目前現役的重型“德爾塔IV”全部采用液氫液氧發動機，其近地軌道運載能力系數為0.0387。長征七號的LEO運載能力系數為0.0226。如果我們以中國長征五號運載火箭GTO有效載荷14噸、起飛重量878噸算，其GTO運載能力系數為0.0159。而“獵鷹重型”的GTO軌道運載能力系數高達0.0187！

燃燒室噴管旁邊的“大煙囪”實際上是燃氣發生器產生的富氧燃氣直接排放到外部了，所以叫開式循環，這些燃氣中還含有不少能量。燃氣發生器循環方式不能充分利用燃料能量，比沖（比沖是指單位質量燃料產生的沖量，代表著燃料的能量和燃燒效率）相對較低。要知道，“德爾塔IV”采用的是液氫液氧高能燃料，而長征五號芯級火箭使用的是液氫液氧燃料，助推器發動機雖然使用的是液氧煤油，但循環方式采用的是燃燒效率更高的分級燃燒循環。這兩種火箭的運載能力系數之前在國際上可以說是數一數二，那些采用了固體助推器的火箭在“獵鷹重型”面前都遜色三分了。

發動機推重比最高

按理說，無論是長征五號使用的高壓補燃液氧煤油發動機還是燃氣發生器循環的液氫液氧發動機，其比沖都要高于“獵鷹重型”使用的“梅林-1D”發動機，為何最終的效率卻不如“獵鷹重型”呢？

“梅林-1D”發動機結構小巧，推重比高。這就涉及“梅林”發動機另一項“劍走偏鋒”的設計。它以簡單的燃氣發生器循環設計達到了極高的推重比。燃氣發生器循環，也就是利用燃料在燃氣發生器內燃燒產生燃氣，驅動渦輪泵，通過渦輪泵向主燃燒室內注入大量燃料燃燒，燃氣發生器燃燒后的廢氣直接排出發動機外（所以又被稱為開式循環），這被認為是一種不夠先進的循環方式。在此基礎上發展的高壓補燃循環或者叫分級燃燒循環，則將燃氣發生器產生的富氧或富燃氣體排入燃燒室（燃氣發生器內的燃料混合比不能達到最佳，否則溫度過高）“再燒一次”，這樣不僅利用了“廢氣”中的能量，而且燃燒室內進行更充分和可控的液-氣混合燃燒。所以，同樣的燃料，分級燃燒的火箭發動機比沖普遍燃氣發生器循環更高。“梅林-1D”發動機既沒有使用能量更高的液氫液氧，也沒有使用分級燃燒技術，所以比沖相對較低。

“獵鷹重型”的兩個助推器同時回收，但正由于結構簡單，加之設計優化、材料先進，使其推重比達到了空前的水平。2014年第100臺“梅林-1D”發動機制造完畢時，其推重比為155。有些資料顯示，最新型“梅林-1D”發動機推重比高達180甚至更高，這一數值遠超世界任何一款液氧煤油和液氫液氧發動機。之前最終比最高的發動機是蘇聯N-1火箭的NK-33，推重比也就120左右。

推重比高的優勢就是在提供相同推力的時候，大大降低發動機自身重量，進而提高火箭整體的干質比（火箭除了燃料以外的各種系統的質量和火箭總體質量之比），這個數值是決定火箭的整體效率的另外一個重要因素。干質比約大，越有利于火箭的加速。

獵鷹3米多的殼體內可以塞入9臺“梅林-1D”發動機。而長征七號3.35米的芯級只裝入了兩臺發動機。“梅林-1D”發動機簡單的結構也簡化了生產，2014年的產量是每周4-5臺。

多冗余度技術保證高可靠性

一臺“梅林-1D”發動機可以舉起相當于40臺轎車的重量，9臺發動機一秒鐘能夠燃燒540加侖燃料，相當于在不到一分鐘的時間里抽干一個家庭游泳池的容積。不過，在火箭發動機中，其推力是非常小的，SpaceX公司不得不“推力不足數量補”。不過，“梅林-1D”發動機體積也非常小，所以可以在“獵鷹”火箭的3.66米的殼體中塞進9臺發動機，長征-7號3.35米直徑也只并聯了2臺YF-100發動機。

獵鷹-9之前獲得了很高的成功率。對于傳統火箭來說，“推力不足數量補”是一個被迫采取的手段，因為這種方式被認為會大大降低火箭的可靠性。任何一臺發動機出現故障，都會對火箭的成功發射構成致命威脅。而且并聯過多發動機，之間也會產生難以預料的耦合震動。因此，發動機并聯得越多，可靠性越差。一個典型的例子就是當年蘇聯的登月火箭N-1，一級使用了30臺發動機，幾次發射均以失敗告終。這次“獵鷹重型”發射前，SpaceX公司總裁馬斯克承認 ：“‘獵鷹重型要求同時點火27個軌道級發動機，這時候可能會出現很多問題，這是地面測試很難預測的事之一。”

但最終“獵鷹重型”成功了。這仍然得益于“梅林-1D”發動機自身的設計。首先，由于其結果簡單，自身具有高度可靠性，大幅增加了總體可靠性。其次，“梅林-1D”發動機推力可以在大范圍內調整。拼湊“獵鷹重型”的“獵鷹-9”火箭即便發射時一臺發動機出現故障，其他發動機可以自動增加推力補償。甚至在度過了發射初期的最關鍵時刻，即便有兩臺發動機失效也無妨。所以，即便其一級安裝了多達9臺發動機，仍然保持了較高的可靠性。這又源于“梅林”發動機可在大范圍調整流量的渦輪泵，而其核心技術就是針栓式噴注器，使得其在推力調節和燃燒穩定性方面表現優異。在長征五號之前，中國火箭的渦輪泵基本不具備變流量能力，長征五號雖然具備一定的調整能力，但無法通過大幅度增加其他火箭發動機推力的形式彌補單臺發動機失效。

這個公式表明了比沖和干質比對火箭的重要意義。其中C為比沖與重力之際。上述技術只是“獵鷹重型”一系列新技術陣列中的幾項。正是在美國的整體工業優勢支撐下、大量的航天人才儲備下以及殘酷的市場競爭下，成就了“獵鷹-9”和“獵鷹重型”。

當然，“獵鷹重型”由于發動機太多，可靠性還需要后續發射進一步驗證，特別是當起飛時如果處于不同位置的多臺發動機發生故障，其面臨的推力構型和耦合震動都很復雜。所以，“獵鷹重型”基本上是把“梅林-1D”的潛力挖掘殆盡了。無論是中國未來的長征九號運載火箭，還是美國在研的巨型火箭，都是基于大型的發動機，而不是“獵鷹重型”這種捆綁小型發動機的形式。