猎鹰九号一箭三飞，进入标准化复用时代！

+ 梁昊鹏

1、任务简介

太平洋标准时间2018年12月3日上午10点34分（北京时间12月4日凌晨2点34分），太空探索技术公司成功从范登堡空军基地发射助推器编号为B1046.3的猎鹰9号全推力5型火箭，执行代号为SSO-A的飞行任务（如图1.1）。本次任务实现了两个重大目标：成功部署了64个载荷，打破了美国一次性部署载荷数量的记录；成功完成了全推力5型（Full Thrust Block 5）一级火箭的第三次飞行和再入回收。第三次复用的成功，标志着太空探索技术公司距离火箭的标准化复用又近了一步。

图1 SSO-A任务徽章

本次任务取名为“太阳同步轨道A：小卫星速递”，火箭使用太空飞行公司（SpaceFlight）设计制造的集成载荷栈（integrated payload stack）携带了64枚载荷，包括来自德国、巴西、芬兰等17个国家的小卫星和洛杉矶艺术博物馆资助的实验性艺术项目“以诺”（ENOCH）。火箭升空7分45秒后，一级成功降落在海上平台上。在升空后的43分钟内，运载器完成了对载荷的6次初步部署。所有载荷在火箭升空后7小时内通过载荷栈完成了最终部署，到达预定位置。太空探索技术公司在本次发射中再次尝试了对整流罩的回收。公司CEO马斯克表示，整流罩在这次回收中虽然没能准确落至回收网内，但已能平缓的落至海面。另有业内人士分析，由于海水可能对整流罩内的电子器件产生破坏，这枚整流罩可能无法再次使用。

这次任务并不是太空探索技术公司在2018年的收官之作。太平洋时间12月5日，助推器编号B1050.1的猎鹰9号火箭成功执行了代号为CRS-16的龙飞船发射任务，为国际空间站运送补给物资；但在再入回收过程中，这枚火箭驱动栅格舵的液压油泵停转，导致火箭回收失败。这次任务也是猎鹰9号火箭从2016年6月以来唯一失败的回收。另外，太空探索技术公司预计于12月18日再次开展发射任务，使用一枚全新的猎鹰九号火箭将美国空军的GPS IIIA-01卫星发射至中地球轨道（MEO）。

2、猎鹰9号的总体参数概述

猎鹰9号是由美国太空探索技术公司设计和制造的二级火箭，也是世界上第一款具有轨道运输能力的可重复使用火箭。截至2018年12月5日，该型火箭总共进行了64次发射。自2010年6月第一次发射至今，太空探索技术公司对该火箭进行了4次重大的更新升级。目前，猎鹰9号的在役版本为全推力5型，火箭直径3.7米，在配备整流罩以搭载卫星时全高70米，总质量549.1吨。其低地球轨道（GEO）运载能力为22.8吨；地球静止轨道转移轨道（GTO）运载能力8.3吨。

图2 火箭结构示意图

猎鹰9号全推力5型火箭为两段式结构，如图2所示。火箭的一级与二级之间有一中间级（interstage），用于级间的分离和连接。火箭在搭载“龙”飞船时，不需要使用整流罩；而在搭载卫星及其他载荷时，则需使用高13.1米，直径5.2米的整流罩为载荷提供保护。火箭的箭身使用高强度铝-锂合金制造；一级火箭的推进剂贮箱则以铝合金为材料、使用摩擦搅拌焊接的方式制造。推进剂贮箱为联体设计，上半部分为硬壳构型的液氧贮箱，下半部分则为蒙皮骨架构型的煤油贮箱；液氧贮箱使用穿过煤油贮箱中间的隔热传输管与发动机相连。二级火箭的推进剂贮箱结构与一级火箭贮箱类似。连接一二级火箭的中间级使用碳纤维面板包夹蜂窝铝芯层的复合材料制造，具有多项功能：一用于分离火箭的一级与二级，二则为二级火箭的大扩张比发动机提供安装空间。火箭一、二级分离时，中间级与二级火箭下部脱开，随一级火箭再入回收。

猎鹰9号全推力5型的一级火箭并联安装有9台梅林1D强化发动机，工作时长162秒，海平面推力7607千牛，真空推力8227千牛，具有自主回收和复用能力。梅林发动机为燃气发生器型的液氧-煤油双组元发动机，单台发动机海平面推力845千牛，真空推力914千牛；具有多次点火能力和推力调节能力。以太空探索技术公司2015年发布的数据为例，梅林1D发动机（未强化版）海平面推力调节范围为529千牛到756千牛，推力的可调节范围占最大推力的30%。火箭一级通过控制9台发动机提供的推力和上部栅格舵提供的气动力，保持再入时姿态与航迹的稳定，完成地面及海面的定点降落。同时，火箭的并联发动机设计也提供了很高的可靠性，能够在任意一台发动机失去推力的情况下将载荷送入轨道。

图3 一级火箭发动机示意图

猎鹰9号全推力5型的二级火箭仅安装一台真空梅林发动机，工作时长397秒，真空推力934千牛，推力可以从360千牛调节至934千牛。二级火箭装备冗余点火系统，以保证稳定的多次点火能力；从而能够多次机动将不同载荷部署在预定的不同轨位。

猎鹰9号火箭使用地面固定发射装置发射。目前，位于美国西海岸的范登堡空军基地与位于美国东海岸的约翰肯尼迪航天中心及卡纳维拉尔角空军基地均能支持该型火箭发射。由于使用九台发动机并联工作，猎鹰9号采用了延迟释放发射方式以保证发射安全。火箭点火以后，直到火箭各个系统的正常工作信号得到确认，发射机构才会释放火箭。

3、愈发明晰的标准化复用前景

12月3日的一箭三飞让埃隆·马斯克和太空探索技术公司制造标准化复用火箭的前景更加明晰。全推力5型火箭作为猎鹰9号的定型产品，是承接该公司现在与未来的关键桥梁。在2018年5月全推力5型第一次发射前的电话记者发布会上，马斯克表示，在太空探索技术公司完成“大猎鹰火箭”（Big Falcon Rocket）之前，B5版本将是猎鹰9号最终的最终型号。

据马斯克所述，在设计上，全推力5型能够在不进行重大翻新的前提下执行超过10次飞行任务。太空探索技术公司也相信，全推力5型实际上能够胜任100次以上的飞行。

按照马斯克的规划，在2018年底，太空探索技术公司将能完成10次全推力5型火箭的发射。而在2019年，则真正实现猎鹰9号的快速标准化复用——即在24小时内使用同一枚芯级完成两次发射。在未来的五年内，太空探索技术公司希望能够使用猎鹰9号进行300次左右的发射，将该型产品打造成公司的经济支柱。而在这之后，大猎鹰火箭将能够取代现役的猎鹰9号和重型猎鹰，帮助马斯克实现他将人类改造为跨星际物种的梦想。

3.1 复用技术的升级

在猎鹰9号火箭的发展过程中，全推力版本的推出标志着火箭的总体设计基本定型。从2016年3月4日发射第一枚全推力型猎鹰9号开始，太空探索技术公司总共制造了28枚共3个型号的猎鹰9号全推力型火箭，进行了44次成功的发射。在这44次发射中，太空探索技术公司尝试并成功进行了31次回收，另失败3次。在回收的火箭中，14枚火箭成功进行了复飞，另有两枚火箭改装成重型猎鹰火箭的助推器再次升空。12月3日的发射任务更是完成了火箭的3次复用。猎鹰9号从刚出生时的屡战屡败一路走来，已经成为一款能够稳定执行发射、回收、复用任务的革命性运载器。而如今，业界关心的，也不再是火箭能否复用；而是火箭能够承担的复用次数和复用所需的时间间隔。

猎鹰9号全推力火箭共有三个主要型号，即基本型、4型与5型。基本型火箭较早期的v1.0及v.1.1版本有大量的升级，包括改换梅林1-D发动机，降低燃料存储温度，优化栅格舵、着陆支架和发动机布局等等。而全推力4型则是基本型与5型之间的过渡版本。全推力5型一方面升级了梅林1-D发动机，将发动机推力提高了8%；另一方面，针对复用的可靠性与快速性进行了升级。包括：

1）强化了栅格舵的抗温能力；

2）在一级火箭外部增加热保护层，以减小再入加热对火箭的损伤；

3）对发动机的阀门进行优化，增加其工作寿命；

4）重新设计了复合材料的高压氦气瓶，防止低温液氧对其造成破坏；

5）使用螺接方式制造一级火箭的发动机安装结构——OctaWeb，以缩短制造时间。

3.2 复用可靠性的提升

太空探索技术公司不断地对猎鹰9号进行技术升级以提升其复用性能。而从猎鹰9号执行发射任务的情况来看，其复用性能也确实在不断提高。目前，太空探索技术公司总共制造了16枚全推力基本型火箭，7枚全推力4型火箭与5枚全推力5型火箭；分别执行了23次、12次、9次发射任务。其中，全推力基本型火箭的复用比例为56.3%（9枚/16枚）；全推力4型火箭的复用比例上升至71.4%（5枚/7枚）。而全推力5型目前尚在服役，除去回收失败的B1050.1火箭，按计划其余火箭均将进行多次复飞。全推力基本型猎鹰9号复用比例较低的原因来源于运力问题。由于发动机推力不足，全推力基本型猎鹰9号在执行大质量载荷GTO轨道运输任务时常常没有足够的燃料再入并精确降落，而这一问题在全推力4型火箭上依然存在。随着全推力5型火箭换用梅林1D强化发动机，猎鹰9号运送GTO载荷并返回的能力在2018年7月22日的任务中得到了验证。在这次任务中，猎鹰9号将这一运载能力从5吨提升至7吨，从而能够胜任绝大部分发射商用载荷的任务并复用。

表一 猎鹰9号发射情况统计

表二 猎鹰9号复用时间间隔统计

3.3 复用时间间隔不断缩短

从复用时间上来看，不考虑改装为重型猎鹰助推级的两枚火箭，猎鹰9号全推力火箭（基本型）的平均复用间隔为226天；而全推力4型的平均复用间隔则为176天；到全推力5型，这一指标进一步缩短到95天。

虽然说火箭的复用时间间隔既会在与火箭使用方的对接中产生波动，也会由于发射窗口原因而不能完全反应火箭真实的检修维护时间，但平均复用时间间隔的大幅度缩短依然反应出猎鹰9号复用时间效率的提升。平均复用时间间隔的快速缩短一方面来自于太空探索技术公司针对火箭复用可靠性进行的大量改进；另一方面，也来自太空探索技术公司火箭在一次次的发射中对火箭复用检修程序的优化。

一般来说，一枚火箭在完成组装和测试后，仍需要10天到30天左右的时间完成与卫星的对接。除非太空探索技术公司能采用全新的技术实现火箭与卫星的标准化对接，否则马斯克很难在明年实现其24小时内完成复用的目标。当然，将复用的时间缩短至30-45天依然有很大希望；而这一点，已足够再一次撼动目前的航天发射市场，让猎鹰9号无论从性能、发射价格以及发射次数上达到对其它型号火箭的绝对优势。

4、总结

太空探索技术公司在18年年末的SSO-A任务中完成了猎鹰9号火箭的一箭三飞和回收，树立了猎鹰9号火箭发展的又一个里程碑。而通过对历史发射数据的分析也表明，太空探索技术公司通过对猎鹰9号的不断更新升级，确实提高了该型火箭的复用可靠性与快速性。由此，埃隆·马斯克距离其火箭标准化复用的梦想也越来越近。