猎鹰重型火箭发射的通行证——有关静态点火那些事儿

文/ 田丰

▲ 1月25日猎鹰重型火箭静态点火

要说2018年最受关注的航天大戏，估计就要数SpaceX公司旗下跳票数年的猎鹰重型火箭的首飞了。随着2月7日的首飞成功，该火箭已经成为现役运力最强的运载火箭。该火箭构想最早出现于2004年，2011年首次正式曝光，从2013年开始年年都号称要首飞，结果年年推迟，设计改了又改，首飞推了又推。即使首飞箭已经在发射场就位了，却因美国两党掐架，政府关门这种“飞来横祸”的影响而迟迟不能进行静态点火测试。就在大家兴致已经消磨殆尽的时候，SpaceX公司抓紧了政府临时开门的短暂间隙，执行了猎鹰系列火箭在发射前必不可少的一项重要试验——静态点火。

▲ 猎鹰重型火箭的牵制释放装置和加注机构特写

什么是静态点火试验

静态点火（Static Fire）试验，又称系留点火试验，是一种火箭发射前的预先点火试验，用以验证火箭的点火机构是否正常，各发动机推力是否平衡，箭体振动是否可控。打个比喻来讲，如果说“长征五号”最终合练是相对于正式发射来说除了点火之外什么都做了，那么“猎鹰”的静态点火可以说是除了拽住火箭没让飞之外什么都做了。众所周知，SpaceX公司的3座发射台都采用了牵制释放装置，这种装置的作用是在火箭发动机达到稳定而平衡的推力水平前阻止火箭起飞，防止火箭因推力不平衡而“飞偏了”。但事实不仅如此，这种装置也是火箭能够进行静态点火的必要条件，因为点火后推重比一旦大于1火箭就会离开发射架，所以必须“拽”住火箭，才能顺利执行静态点火。目前世界现役的运载火箭中，除猎鹰系列外，只有轨道·ATK公司的安塔瑞斯火箭设置有静态点火环节。

猎鹰重型火箭的静态点火试验原计划持续12秒，主要验证火箭的点火时序、振动情况和推力平衡情况。试验后SpaceX公司根据收集的相关数据，进行分析后表示火箭工作正常，为最终的成功首飞铺平了道路。部分火箭早期也曾设置过静态点火试验，但在成熟后已经相继取消了这一环节。虽然静态点火已不再“流行”，但相对于实际发射而言，静态点火确实能反映和发现一些原本需要实际升空才能出现的问题，如果能够合理运用这项技术，甚至可以避免一些本不应该出现的载荷损失。

静态点火“试”出火箭缺陷

2016年9月1日，SpaceX公司猎鹰9号火箭在携带SpaceCom的阿莫斯-6卫星进行静态点火时，突然发生剧烈爆炸，损失惨重。之后SpaceX公司进行了长达4个多月的事故调查，整个过程扑朔迷离。

最终事故原因终于水落石出。为了极限压榨猎鹰9号火箭性能，设计人员采用了比通常火箭所采用推进剂组合温度更低但是密度更高的预冷液氧和预冷煤油，还有将碳纤维复合材料缠绕制成的氦气加压储罐浸泡在预冷液氧中，最后还在氦气加压储罐中加注接近气-液两相点的极低温氦气。然而就是这种压榨性能的极端设计，导致了浸入碳纤维夹层中的液氧凝固，受挤压后与碳纤维发生连锁反应，最终引起爆炸，交了一笔极其昂贵的学费。但事实上这次事故本来是可以避免卫星损失的，因为为了防止静态点火出现意外伤及载荷，正常流程一般是不带有载荷的，而阿莫斯-6卫星事故时SpaceX公司为缩短发射准备时间，加之以往静态点火中并未出现过危险，公司冒险进行了带载点火，最终出现事故，导致星箭俱毁。此后，所有猎鹰9号火箭的静态点火均不再携带载荷，以后即使再出现类似的点火爆炸事故，也能防止载荷受损。虽然这样会延长发射准备时间，但是对载荷安全起到了一定的作用。

静态点火保“猎鹰重型”首飞成功

北京时间1月25日凌晨1时30分，首飞前的猎鹰重型火箭进行了静态点火试验并获得成功。

此次猎鹰重型火箭首射由于风险巨大，并无商业载荷，但依旧安排了静态点火试验，自然有其道理。静态点火试验作为SpaceX公司火箭发射前的最终确认试验，一般安排于火箭正式发射之前数天。因此静态点火的完成代表着这款推迟数年的27发并联“怪物”终于获得了通往最终发射的“绿灯”，事实也证明了经过静态点火试验的猎鹰重型火箭首秀是成功的。虽然火箭芯级因为回收工况过于恶劣未能回收成功，但这次首射成功依旧使SpaceX公司名声大噪。

▲ 马斯克对携带载荷的火箭爆炸无可奈何

▲ 猎鹰9号火箭的承力结构

其实静态点火的实施并不是只需要地面发射台支持就可以，而是从火箭设计时就需予以考虑。牵制释放装置与火箭连接上的吊耳连接后，在静态点火过程中27台发动机相继点火迅速到达全推力，这时火箭即使减去起飞质量依旧有700吨的净推力，这都需要通过火箭底部的吊耳传递到牵制释放装置上。由于液体火箭本质是一个巨大的薄壁筒体，其实只有部分主承力结构才能充分受力，就像易拉罐只有顶部和底部才耐压是一个道理。猎鹰9号火箭的承力结构被称之为“八角网”（Octaweb），该结构包覆了和承载了火箭一级的所有9台发动机，中间通过隔板间隔开，承力吊耳也设置在该结构上。由于猎鹰重型火箭是三芯并联，所以牵制释放装置和加注结构也相应增加，另外由于猎鹰重型火箭的两枚助推器要与芯级可靠并联，并传递推力，而在助推器工作结束后，助推器和芯级还要通过冷分离机构迅速分离，因此助推器在翻修过程中增设了连接机构，芯级的“八角网”承力结构更是经过了特殊设计和结构补强。

▲ 改造中的发射台

▲ 吊耳特写

▲ 改造后的发射台

猎鹰重型火箭的助推器分离和一二级分离均采用了“冷分离”机构，这是相对于火工品（炸药）热分离而言。一直以来业界普遍认为火工品分离机构成本低、结构简单、工作可靠，所以广泛应用在包括我国长征系列在内的多种运载火箭上。但是猎鹰系列火箭由于要回收，所以一直采用无损的冷分离模式（冷氮喷射，机械式推杆等），目前“猎鹰9号”已执行近50次发射，从未出现过分离机构失效导致的事故，实际可靠性100%。而这次猎鹰重型火箭首射中助推器冷分离机构（侧向分离）的成功，对于未来运载火箭分离结构的设计有着相当大的借鉴意义。