“獵鷹重型”火箭連續成功發射影響分析

胡冬生 劉楠 張雨佳（中國運載火箭技術研究院研究發展部）

2018年2月6日－2019年6月25日，美國太空探索技術公司（SpaceX）“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭先后實現了3次成功飛行，為商業用戶和美國空軍運送衛星載荷，可靠性不斷提升，回收和重復使用技術也得到進一步驗證。“獵鷹重型”火箭的連續成功發射， 對世界商業航天發射市場格局、重復使用技術乃至運載火箭發展路線，都將產生重要的影響。

1 三次發射任務概況

美國東部時間2018年2月6日，美國SpaceX公司在位于卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心LC－39A發射工位發射了“獵鷹重型”火箭，將一輛約1.25t的紅色特斯拉跑車送入了飛越火星的雙曲線軌道，成功實現了該型火箭的首飛。首飛所使用的2個助推芯級分別為2016年5月27日泰國通信－8（Thaicom－8）衛星任務和7月18日商業再補給服務－9（CRS－9）任務中回收的獵鷹－9（Falcon－9）火箭一子級，并幾乎同時在相距300m的2個陸上著陸區實現回收，但中間芯級因發動機點火劑耗盡而造成著陸點火時2臺外側發動機未能起動，海上回收失敗。

美國東部時間2019年4月11日（北京時間2019年4月12日），“獵鷹重型”火箭在LC－39A發射工位將一顆6.46t的阿拉伯衛星－6A（Arabsat－6A）送入遠地點高度為89808km的超地球同步轉移軌道，此次發射也是該型火箭的首次商業發射。同時，火箭2個助推芯級和中間芯級也分別在2個陸上著陸場和距發射場1000km的海上平臺成功回收，這也是中間芯級首次成功回收（隨后中間芯級由于海況惡劣未能及時固定在甲板上，造成傾倒并斷裂）。

“獵鷹重型”火箭首飛任務中2個助推芯級落地回收瞬

Arabsat－6A任務中回收的中間芯級

美國東部時間2019年6月25日，“獵鷹重型”火箭在LC－39A發射工位成功執行了空間試驗計劃－2（STP－2）發射任務，將24顆衛星分別送入了3個不同的近地軌道，這也是該型火箭首次為美國空軍服務。此次發射使用的2個助推芯級為4月Arabsat－6A任務所回收，并再次在陸上成功回收，且回收船首次成功接住整流罩，但中間芯級海上回收失敗。

“獵鷹重型”火箭的3次飛行涵蓋不同的軌道任務，衛星用戶包括商業衛星公司和美國空軍，且每次任務都有新的突破，證明了該火箭強大的任務適應能力和較高的可靠性，并日益得到用戶的認可；同時，該火箭在任務中還驗證了3個芯級、整流罩的回收以及助推芯級的重復使用能力，未來隨著重復使用技術的逐漸成熟，“獵鷹重型”火箭在履約周期和發射價格方面的優勢也將進一步顯現出來。

執行STP－2任務的“獵鷹重型”火箭

2 火箭方案與技術分析

“獵鷹重型”火箭是在大量繼承獵鷹－9火箭成熟技術的基礎上研制的兩級液體重型運載火箭，采用3個通用芯級并聯加二子級的構型，以液氧/煤油為推進劑，起飛時共有27臺發動機點火。該火箭全長70m，芯級直徑3.66m，起飛質量1420.8t，近地軌道最大運載能力達63.8t，已超越目前所有現役火箭。其二級火箭發動機可多次起動，具備直接將衛星送入地球靜止軌道或執行“一箭多星”任務的能力。“獵鷹重型”火箭主要具有以下幾個技術特點。

通用化和模塊化設計

“獵鷹重型”火箭采用了通用芯級研制理念，通過多個芯級并聯以提升運載能力，避免了大直徑箭體研制和生產所帶來的難題。同時，SpaceX公司提高了“獵鷹重型”火箭與獵鷹－9火箭2個型號的模塊化和通用化程度，“獵鷹重型”火箭直接繼承了獵鷹－9火箭的一子級、二子級和整流罩，真正實現了不同型號之間的產品化和標準化。在動力系統方面，“獵鷹重型”火箭3個芯級均使用灰背隼－1D+（Merlin－1D+）發動機，二級使用Merlin－1D+真空型發動機。可以說，SpaceX公司用一個發動機型號、一個箭體直徑滿足了重型和大型火箭的規模和能力需求，實現了型號的產品化，提高了生產、測試、試驗等各個環節的效率，使得火箭量產成為可能，有利于大幅降低成本，提高火箭發射頻率。

獵鷹重型”火箭與獵鷹－9火箭構型對比

可重復使用

“獵鷹重型”火箭的3個芯級繼承了獵鷹－9火箭的自主可控回收技術，回收后經過檢測維護可以再次發射，從整體上大幅提升了重復使用率。全箭28臺發動機中有27臺能夠重復使用，發動機復用率達到96%。同時，SpaceX公司還一直在開展“獵鷹”火箭整流罩的回收和重復使用研究工作。可重復使用技術進一步成熟后，必將大幅降低火箭發射費用，縮短衛星發射履約周期。

動力系統冗余

“獵鷹重型”火箭一子級由3個獵鷹－9火箭一子級捆綁組成，共采用27臺Merlin－1D+發動機。多臺發動機并聯設計有利于實現動力冗余，當一臺或多臺發動機出現故障時，故障發動機自動關閉，重新規劃上升彈道，其他發動機推力加大、工作時間延長，具備在數臺發動機故障的情況下依然完成飛行任務的可能，從而提高了火箭的可靠性。

推進劑交叉輸送

采用通用芯級構型的“獵鷹重型”火箭具有使用推進劑交叉輸送技術的天然潛力。該技術可以將火箭助推芯級推進劑輸送給中間芯級發動機使用，從而盡早拋掉助推芯級的結構干質量，可以獲得更大的速度增量，使運載能力提升20%。盡管優勢巨大，但交叉輸送仍有大量關鍵技術尚未解決，因而在“獵鷹重型”火箭實際飛行中并未采用，而是一直處于研發狀態。

3 意義與影響

對于SpaceX公司而言，成功實現“獵鷹重型”火箭3次飛行具有重要的戰略意義，對于世界航天也將產生重要影響。

推動大型和重型火箭設計理念革新和發展

“獵鷹重型”火箭3次發射成功，證明了通過小推力發動機冗余并聯達到重型火箭的所需推力有可能滿足可靠性要求。由于發動機推力大小的限制，SpaceX公司通過先進的動力冗余技術以及提高單臺發動機可靠性，創新性地解決了多發動機并聯存在的問題。在箭體設計方面，“獵鷹重型”直接借用獵鷹－9火箭一子級，通過3個模塊并聯代替了重型火箭所需的大直徑箭體，為重型火箭結構設計提供了另一種思路。

“獵鷹重型”火箭將對未來大型乃至重型運載火箭的設計思路產生影響，尤其是在大部分航天國家和私營航天公司還未掌握大推力高性能火箭發動機、大直徑箭體制造技術的情況下，多臺發動機并聯的通用芯級構型將是在較短時間內實現較大運載能力的現實選擇。

進一步沖擊世界商業航天發射市場

雖然獵鷹－9火箭在近2年的發射表現搶眼，但其復用構型的地球同步轉移軌道（GTO）極限運載能力為5.5t，對于6t以上級別的大型通信衛星則顯得力不從心。“獵鷹重型”火箭復用構型的GTO極限運載能力為8t，幾乎滿足所有大型通信衛星的質量要求，較為富裕的運載能力也有望為衛星提供更優質的服務，如將衛星送入更高的軌道從而延長衛星工作壽命，或直接將衛星送入地球靜止軌道（GEO）。而其復用構型發射9000萬美元、一次性構型發射1.5億美元的低廉報價，更將進一步蠶食阿里安－5（Ariane－5）火箭和“質子”（Proton）火箭的剩余市場份額，沖擊世界商業航天發射市場。

從目前掌握的數據來看，“獵鷹重型”火箭的市場份額還很小，主要受制于火箭的可靠性和大型衛星的市場占比。隨著“獵鷹重型”火箭可靠性的日益提升，衛星研制受火箭運載能力的限制越來越小，可以根據任務需求充分考慮載荷配置和任務周期；尤其是在GEO軌道等軌位有限的情況下，衛星有可能朝著大型化平臺的方向發展。因此，未來在大型商業衛星發射領域的市場還有待進一步培育，并有望成為一個新的增長點。

重復使用火箭日益為衛星用戶所接受

運載火箭重復使用技術可大幅降低火箭發射費用，提升火箭發射頻率，有效縮短衛星發射合同的履約周期。但一開始，SpaceX公司“獵鷹”火箭的重復使用并不被看好。用戶更加關注運載能力、可靠性和價格，重復使用則普遍被認為有可能降低火箭整箭的可靠性。然而，隨著SpaceX公司技術的不斷成熟，用戶的評價天平開始傾斜，重復使用帶來的誘人報價和快速履約能力終于在2017年打動了“第一個吃螃蟹的人”-歐洲衛星公司－10（SES－10）衛星。迄今為止，SpaceX公司已進行了20余次箭體復用發射，且都取得了成功，所涉及用戶包括各大商業衛星公司、美國國家航空航天局（NASA）乃至軍方等，說明重復使用火箭日益為衛星用戶所接受，而復用火箭也逐漸成為SpaceX公司執行商業發射任務的“標配”。

不可否認的是，目前國際發射市場上的主流還是一次性運載火箭，這種情況的改觀還需要一段時間的積累。但重復使用作為運載火箭的未來發展方向，必將取得長足的發展，并逐漸在衛星用戶的發射選項中占據主導。

有望承接深空探索和載人航天任務

自2011年啟動“航天發射系統”（SLS）火箭研制以來，美國對其寄予厚望，NASA每年投入大量的資金予以支持，并制定了深空探測及載人航天發射等一攬子計劃。但“航天發射系統”研制進展緩慢，已經影響到美國載人登月的既定目標。在此背景下，“獵鷹重型”火箭有望承接美國政府的部分深空探索和載人航天任務。據悉，NASA已決定使用“獵鷹重型”火箭代替“航天發射系統”發射“木衛二快帆”（Europa Clipper）探測器，并改用商業火箭發射月球軌道平臺“門戶”（Gateway）項目的多個艙段。

“航天發射系統”飛行示意圖

“獵鷹重型”火箭超強的運載能力為其應用帶來了較大的空間，尤其是深空探索和載人航天等大項目下的大型航天器。但需要指出的是，“獵鷹重型”火箭并不能替代“航天發射系統”，其63.8t的運載能力與“航天發射系統”的終極構型相比還有很大差距，僅能在一定程度上彌補“航天發射系統”研制拖延所帶來的空缺。

4 思考與建議

美國SpaceX公司結合自身技術基礎，創造性地解決了“獵鷹重型”火箭的研制難題，并成功實現了3次飛行任務，對世界航天發展具有重要推動作用。結合我國運載火箭發展情況，提出以下幾點思考。

結合技術基礎合理制定運載火箭發展路線，推進運載火箭能力的持續提升

目前，世界各國正在研制的新一代主流運載火箭多為近地軌道運載能力20噸級，但對于未來的大規模深空探索和載人航天任務，則需要有近地軌道運載能力100t以上的重型運載火箭。從20～100t以上，運載能力增長4～5倍，技術跨度相當大，研制難度大、周期長，對一個國家的工業基礎有相當的考驗，可能會在一定程度上拖延擬定的探測計劃。而基于20噸級大型運載火箭的研制基礎，通過發動機并聯和通用芯級捆綁技術，則有望將近地軌道運載能力提升至50～70t，形成大型火箭與重型火箭之間的銜接，從而在重型火箭服役之前承擔前期的測試和探索工作，不失為一條較為經濟和合理的途徑。俄羅斯基于時間及成本的考慮，即提出通過3枚聯盟－5（Soyuz－5）火箭并聯捆綁構成超大型火箭，來實現初期的載人月球探索任務。

目前，我國已實現長征－5火箭的成功研制，突破了120t液氧/煤油發動機、50t液氧/液氫發動機和5m直徑箭體等關鍵技術，具備構建近地軌道運載能力50～70t超大型火箭的技術基礎。通過合理規劃火箭型譜、制定火箭發展路線，借助超大型火箭開展前期的探索任務，同時為重型火箭研制驗證所需的相關技術，可以實現我國火箭運載能力的持續提升，拓展我國運載火箭能力的覆蓋范圍，推進我國載人航天和深空探測事業的有序、快速發展。

加速技術創新和應用，增強我國運載火箭的市場競爭力

SpaceX公司基于商業運營考慮和自身技術基礎，創新性地開創了一條商業化研制道路，憑借獵鷹－9和“獵鷹重型”火箭極高的性價比獲得了眾多衛星用戶的青睞，在短短幾年內力壓阿里安－5火箭和“質子”火箭成為商業發射主力。而同時，其他火箭廠商也不甘寂寞，美國聯合發射聯盟公司（ULA）、俄羅斯、歐洲航天局（ESA）、日本等都在積極研發新一代大中型運載火箭，研制目標均主要放在采取措施降低發射價格上，以應對SpaceX公司帶來的沖擊，提高市場競爭力。可見，未來國際商業發射市場的競爭將會越來越激烈，在各國運載火箭性能逐步提升的情況下，發射價格日益成為衛星用戶選用運載工具的首要因素。

我國“長征”火箭已走過50余年的發展歷程，并在國際發射市場上以較低的價格獲得了一定的市場占有率。目前，我國正在推進新一代運載火箭系列的研制工作，并成功進行了長征－5、長征－7、長征－6等火箭的數次飛行，但尚不足以應對國際商業發射市場的競爭態勢。瞄準未來，應革新研制思路，以用戶需求為出發點，加強原始創新和集成創新，加速技術創新和應用，在完善新一代“長征”火箭的性能、增強可靠性的同時，切實降低火箭發射成本，通過不斷的技術革新來提升“長征”火箭的市場競爭力，加大在國際衛星發射市場的份額。

加快研制重復使用火箭，盡快實施飛行演示試驗

重復使用火箭是航天運輸系統發展的方向之一，是未來實現快速、可靠、廉價進出空間的重要途徑，美、俄、歐、日、印等國家和地區均大力推進各自的重復使用運載器項目。截至目前，SpaceX公司已完成20余枚一子級箭體的重復使用發射，其中有2枚箭體先后執行了3次發射任務，而執行美國空軍空間試驗計劃－2（STP－2）發射任務的“獵鷹重型”火箭，也采用了2枚此前回收的助推芯級，表明運載火箭重復使用技術日趨成熟，火箭可靠性也在逐漸得到用戶的認可。

我國新一代運載火箭采用液氧/煤油、液氧/液氫等航天動力，同時開展了液氧/甲烷發動機的研發工作，具有實施重復使用的先天基礎和優勢。應進一步加大重復使用運載火箭的研究力度，通過實施飛行演示試驗盡快突破關鍵技術，提高技術成熟度，推動重復使用技術的應用，以適應我國未來低成本、高密度發射的任務需求。