獵鷹9 十年，從蹣跚學(xué)步到振翅高飛

文/ 郭筱曦

獵鷹9 v1.0 火箭在2010年6月4日完成了首飛

2020年5月31日，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）獵鷹9 火箭以一次完美的發(fā)射提前慶祝自己的10 歲生日。這次發(fā)射也是太空探索技術(shù)公司，以及美國(guó)宇航局、美國(guó)公眾甚至是全球航天愛好者期待已久的——一枚嶄新的獵鷹9 火箭從肯尼迪航天中心39A 發(fā)射臺(tái)呼嘯而起，在航天飛機(jī)時(shí)代結(jié)束后第一次從美國(guó)本土將載有美國(guó)航天員的美國(guó)航天器送上太空。

10年前的2010年的6月4日，首枚獵鷹9 火箭從美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地SLC-40 發(fā)射臺(tái)起飛，當(dāng)時(shí)人們或許無法想象它今天所取得的成就——成為人類航天史上首個(gè)成熟實(shí)現(xiàn)回收并復(fù)用的火箭型號(hào)；10年間（截至今年6月底）88 次發(fā)射87 次完全成功，成功率達(dá)到驚人的98.9%，為美國(guó)政府、科學(xué)界和眾多商業(yè)實(shí)體發(fā)射數(shù)百個(gè)有效載荷。

國(guó)際空間站貨運(yùn)成就“獵鷹9”

“獵鷹9”的第一次迭代型被稱為v1.0，在2010年6月 到2013年3月間發(fā)射了5 次。美國(guó)宇航局在2008年12月選擇太空探索技術(shù)公司作為國(guó)際空間站的兩家“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）供應(yīng)商之一，對(duì)其發(fā)展起到了實(shí)質(zhì)性的幫助作用。

由于“獵鷹9”系統(tǒng)的復(fù)雜性和從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射的監(jiān)管要求，太空探索技術(shù)公司希望在2008 ～2009年時(shí)間框架內(nèi)進(jìn)行首次發(fā)射，但最終未能實(shí)現(xiàn)。在此期間，太空探索技術(shù)公司團(tuán)隊(duì)一直在測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)，2010年初完成了第一級(jí)和第二級(jí)的梅林-1C發(fā)動(dòng)機(jī)的全程點(diǎn)火測(cè)試工作。

美國(guó)東部時(shí)間2010年6月4日下午1點(diǎn)30分，獵鷹9火箭首次嘗試發(fā)射，但由于第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)傳感器溢出錯(cuò)誤而中止。隨后倒計(jì)時(shí)重新開始，火箭從卡納維拉爾角SLC-40 發(fā)射臺(tái)升空。

太空探索技術(shù)公司于2010年12月在COTS-1 驗(yàn)證任務(wù)中首次發(fā)射了龍飛船

2018年6月，獵鷹9 火箭在黎明微光中發(fā)射龍飛船CRS-15 任務(wù)

SLC-40 發(fā)射臺(tái)在2007年由美國(guó)空軍租給太空探索技術(shù)公司。獵鷹9 v1.0 火箭采用9 臺(tái)梅林-1C 發(fā)動(dòng)機(jī)提供503000 千克推力，這些發(fā)動(dòng)機(jī)在第一級(jí)底部被布置成方形3×3 結(jié)構(gòu)。

盡管在升空后不久出現(xiàn)了輕微的“滾動(dòng)”，但攜帶了貨運(yùn)龍飛船“樣板”模型的這枚“獵鷹9”并無大礙。“龍”飛船在軌道上停留了3 周，然后于6月下旬再入大氣層。同年12月，根據(jù)太空探索技術(shù)公司與美國(guó)宇航局簽訂的“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）合同，“獵鷹9”再次發(fā)射執(zhí)行驗(yàn)證飛行任務(wù)。2012年5月，“獵鷹9”在其第三次飛行中創(chuàng)造了歷史，首次將一艘商業(yè)貨運(yùn)飛船送上了國(guó)際空間站。

這次成功發(fā)射為太空探索技術(shù)公司與美國(guó)宇航局“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合作關(guān)系的成功奠定了基礎(chǔ)——在2012年10月至2020年3月間共發(fā)射20艘貨運(yùn)龍飛船。其中19 次任務(wù)（除去2015年6月發(fā)射失敗的CRS-7）共向空間站運(yùn)送了超過43000 千克貨物，并將34400 千克貨物運(yùn)回地球。

2013年9月，獵鷹9 v1.1 火箭發(fā)射加拿大CASSIOPE 衛(wèi)星

“獵鷹9”第二次迭代型v1.1 于2013年9月首飛，又一次創(chuàng)造了紀(jì)錄，其在范登堡空軍基地SLC-4E 發(fā)射臺(tái)進(jìn)行了首次發(fā)射，將加拿大“級(jí)聯(lián)小衛(wèi)星和電離層兩極探測(cè)器”（CASSIOPE）科學(xué)衛(wèi)星送入極地軌道。

獵鷹9v1.1 型火箭高68 米，比v1.0 型重約60%，推進(jìn)劑貯箱更大，得益于升級(jí)后的梅林-1D 發(fā)動(dòng)機(jī)組，在升空時(shí)產(chǎn)生的推力增加了60%，總計(jì)約600000 千克。芯級(jí)共9 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中8 臺(tái)圍繞一臺(tái)中心發(fā)動(dòng)機(jī)以圓形分布。

從2013年9月到2016年1月，“獵鷹9”v1.1 型共飛行了15 次。在完成CASSIOPE 衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)后，它于2013年12月向地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）發(fā)射了首個(gè)有效載荷——SES-8 通信衛(wèi)星，緊接著又發(fā)射了6 顆GTO 軌道通信衛(wèi)星，包括2015年3月發(fā)射的亞洲廣播衛(wèi)星-3A 和歐洲通信衛(wèi)星-115 West B。此外，它還發(fā)射了5 艘龍貨運(yùn)飛船，但只有4 艘抵達(dá)國(guó)際空間站。2015年6月28日，“獵鷹9”v1.1 在升空139 秒后遭遇了第一次飛行中的火箭事故，船箭俱毀。后來發(fā)現(xiàn)，火箭第二級(jí)液氧貯箱內(nèi)固定高壓氦瓶的支柱失效，導(dǎo)致超壓事件。這也是獵鷹9 火箭迄今為止唯一的發(fā)射失敗。2015年2月，一枚“獵鷹9”v1.1 將美國(guó)宇航局“深空氣候觀測(cè)臺(tái)”（DSCOVR）送到了日地拉格朗日L1 點(diǎn)，執(zhí)行了太空探索技術(shù)公司迄今為止發(fā)射的最遙遠(yuǎn)任務(wù)，將有效載荷推到了距地球約150萬公里的地方。

2015年6月28日，CRS-7 龍飛船發(fā)射時(shí)爆炸解體

“獵鷹9”芯級(jí)在卡納維拉爾角空軍基地著陸區(qū)著陸

“獵鷹9” v1.1 的最后一次飛行是在它的后續(xù)型號(hào)獵鷹9 全推力型火箭首飛幾周之后。全推力型配備升級(jí)后的梅林-1D+發(fā)動(dòng)機(jī)組，在升空時(shí)可產(chǎn)生約690000 千克的推力。該型火箭有70 米高，箭體結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)，第二級(jí)加長(zhǎng)，推進(jìn)劑貯箱容積增加。取決于第一級(jí)是否回收，“獵鷹9”全推力型火箭可將最多22800 千克載荷送入近地軌道，也可將8300 千克載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

令人驚嘆的火箭回收

從一開始，太空探索技術(shù)公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克就指出，他希望“獵鷹9”能夠回收和重復(fù)使用，并在2014年4月至2015年2月期間，幾次以“受控”方式在海上實(shí)現(xiàn)第一級(jí)軟著陸的努力都取得了一定成功。但讓返回的第一級(jí)降落在無人靶船甲板上的嘗試被證明是難以捉摸的，至少對(duì)“獵鷹9” v1.1 來說是這樣。2015年12月，“獵鷹9”全推力型在將11 顆Orbcomm 衛(wèi)星送入軌道后成功“著陸”，順利降落在卡納維拉爾角的著陸區(qū)。這是一項(xiàng)令世界驚嘆的突破。

讓火箭芯級(jí)以高速、高溫返回地球，通過由高超聲速柵格翼、可展開著陸支腿和老話說的“好運(yùn)”共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)來引導(dǎo)，是一件極其困難的事，但馬斯克用一句妙語對(duì)其進(jìn)行了最好的總結(jié)：“這是火箭科學(xué)！”

“獵鷹9”芯級(jí)在無人靶船上降落

自2018年5月以來，獵鷹9 Block 5 改型開始服役，其可靠性更高、推力更大、可重用性更強(qiáng)

2018年2月“獵鷹9”發(fā)射后，完好的半個(gè)整流罩在太平洋上漂流

2013年9月，第一枚“獵鷹9”v1.1 開始受控再入，次年7月著陸支腿成功展開，實(shí)現(xiàn)了在大西洋上的受控“觸地”。2015年1月，無人靶船上的第一次火箭軟著陸嘗試結(jié)果變成硬著陸。接下來的4月，由于火箭接近著陸時(shí)橫向速度過快，導(dǎo)致其在無人靶船甲板上傾覆。2016年1月，著陸支腿上的鎖扣使“獵鷹9” v1.1 實(shí)現(xiàn)完整著陸的最后機(jī)會(huì)落空。2016年4月，火箭芯級(jí)在無人靶船上著陸終獲成功。

火箭復(fù)用無人能及

當(dāng)前的“獵鷹9”全推力型已經(jīng)發(fā)展出幾個(gè)型號(hào)，Block 4 改型和Block 5改型分別于2017年8月和2018年5月首飛。改型升級(jí)包括增加推力、加固著陸支腿、提高復(fù)用性能以及改進(jìn)飛行控制系統(tǒng)。

“獵鷹9”Block 5 改型最終獲得了美國(guó)宇航局“商業(yè)載人計(jì)劃”的發(fā)射認(rèn)證。更普遍的說法是，“獵鷹9”Block 5 改型被捧為翻新速度更快的火箭，而且可以用同一個(gè)芯級(jí)執(zhí)行多次任務(wù)。在3年多一點(diǎn)的時(shí)間里，它確實(shí)做到了。

NROL-76 從39A 發(fā)射升空，這是太空探索技術(shù)公司首次發(fā)射美國(guó)國(guó)家偵察局的有效載荷

2019年3月2日，載人龍飛船由獵鷹9 火箭發(fā)射執(zhí)行Demo-1 無人試飛任務(wù)

2017年3月，芯級(jí)尾號(hào)為“B1021”的火箭發(fā)射標(biāo)志著太空探索技術(shù)公司首次使用“二手”軌道級(jí)火箭，并開創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代。截至2020年6月第九組星鏈衛(wèi)星星座發(fā)射任務(wù)，累計(jì)有24 枚火箭至少發(fā)射過2 次——其中7 枚發(fā)射過3 次，5 枚發(fā)射過4 次，2 枚發(fā)射過5 次。隨著回收系統(tǒng)的成熟，它們?cè)诳{維拉爾角或范登堡空軍基地著陸的能力已經(jīng)提高到幾乎“司空見慣”的水平。2015年12月到2020年3月之間，已經(jīng)完成了19 次陸上著陸，包括3 次“重型獵鷹”任務(wù)的側(cè)裝助推器返回。除此之外，在美國(guó)東西海岸共實(shí)現(xiàn)了34 次無人靶船上的降落。

美國(guó)東部時(shí)間2017年6月3日，太空探索技術(shù)公司利用獵鷹9 火箭成功發(fā)射“龍”飛船，執(zhí)行第11 次國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)（CRS-11)。此次發(fā)射既平常又非凡，因?yàn)檫@次發(fā)射的“龍”飛船是人類航天史上第一艘重復(fù)使用的貨運(yùn)飛船。 在獵鷹9 火箭第一級(jí)回收再利用之后，太空探索技術(shù)公司并沒有滿足于“二手”火箭的再次升空，又把一艘“二手”飛船送上了太空，而且還是一艘被海水浸泡過的飛船。這是一件前人從未做過的事情。

太空探索技術(shù)公司也在不斷探索火箭整流罩回收技術(shù)，自2018年以來，為回收整流罩采用了可操縱的降落傘和巨型捕集網(wǎng)。早期若干次捕獲整流罩的嘗試都全部“功虧一簣”，但在2020年7月21日，“獵鷹9“火箭發(fā)韓國(guó)軍事通信衛(wèi)星時(shí)，首次成功地采用網(wǎng)捕方式，把兩個(gè)半罩雙雙回收回來。

超越對(duì)手 成就自己

2020年4月下旬，“獵鷹9”完成了第84 次發(fā)射任務(wù)，超越了美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“宇宙神5號(hào)”，成為發(fā)射次數(shù)最多的美國(guó)現(xiàn)役火箭。2020年太空探索技術(shù)公司的發(fā)射計(jì)劃排得很滿，也沒有表現(xiàn)出任何放緩的跡象。

10年間，“獵鷹9”作為一種運(yùn)載火箭，其成長(zhǎng)速度驚人。其近地球軌道有效載荷能力增長(zhǎng)逾一倍，地球同步軌道能力也幾乎翻倍，漸進(jìn)式成功與幾場(chǎng)虛驚并存，使它成為一款能夠重復(fù)發(fā)射、海上與陸地著陸、整流罩可重復(fù)使用的多功能火箭。

“獵鷹9”完成25 次飛行花了6年多時(shí)間（2010—2016年），但僅僅兩年后的2018年，就神奇地完成了第50 次飛行，到2019年深秋就超過了75 次。僅在2020年上半年，“獵鷹9”就完成了11 次發(fā)射，預(yù)計(jì)“獵鷹9”將在幾個(gè)月內(nèi)完成第100 次飛行。而它的未來，就像獵鷹——它的名字和靈感來源一樣，似乎注定要振翅高飛。