“猎鹰重型”火箭连续成功发射影响分析

胡冬生 刘楠 张雨佳（中国运载火箭技术研究院研究发展部）

2018年2月6日－2019年6月25日，美国太空探索技术公司（SpaceX）“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭先后实现了3次成功飞行，为商业用户和美国空军运送卫星载荷，可靠性不断提升，回收和重复使用技术也得到进一步验证。“猎鹰重型”火箭的连续成功发射， 对世界商业航天发射市场格局、重复使用技术乃至运载火箭发展路线，都将产生重要的影响。

1 三次发射任务概况

美国东部时间2018年2月6日，美国SpaceX公司在位于卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心LC－39A发射工位发射了“猎鹰重型”火箭，将一辆约1.25t的红色特斯拉跑车送入了飞越火星的双曲线轨道，成功实现了该型火箭的首飞。首飞所使用的2个助推芯级分别为2016年5月27日泰国通信－8（Thaicom－8）卫星任务和7月18日商业再补给服务－9（CRS－9）任务中回收的猎鹰－9（Falcon－9）火箭一子级，并几乎同时在相距300m的2个陆上着陆区实现回收，但中间芯级因发动机点火剂耗尽而造成着陆点火时2台外侧发动机未能起动，海上回收失败。

美国东部时间2019年4月11日（北京时间2019年4月12日），“猎鹰重型”火箭在LC－39A发射工位将一颗6.46t的阿拉伯卫星－6A（Arabsat－6A）送入远地点高度为89808km的超地球同步转移轨道，此次发射也是该型火箭的首次商业发射。同时，火箭2个助推芯级和中间芯级也分别在2个陆上着陆场和距发射场1000km的海上平台成功回收，这也是中间芯级首次成功回收（随后中间芯级由于海况恶劣未能及时固定在甲板上，造成倾倒并断裂）。

“猎鹰重型”火箭首飞任务中2个助推芯级落地回收瞬

Arabsat－6A任务中回收的中间芯级

美国东部时间2019年6月25日，“猎鹰重型”火箭在LC－39A发射工位成功执行了空间试验计划－2（STP－2）发射任务，将24颗卫星分别送入了3个不同的近地轨道，这也是该型火箭首次为美国空军服务。此次发射使用的2个助推芯级为4月Arabsat－6A任务所回收，并再次在陆上成功回收，且回收船首次成功接住整流罩，但中间芯级海上回收失败。

“猎鹰重型”火箭的3次飞行涵盖不同的轨道任务，卫星用户包括商业卫星公司和美国空军，且每次任务都有新的突破，证明了该火箭强大的任务适应能力和较高的可靠性，并日益得到用户的认可；同时，该火箭在任务中还验证了3个芯级、整流罩的回收以及助推芯级的重复使用能力，未来随着重复使用技术的逐渐成熟，“猎鹰重型”火箭在履约周期和发射价格方面的优势也将进一步显现出来。

执行STP－2任务的“猎鹰重型”火箭

2 火箭方案与技术分析

“猎鹰重型”火箭是在大量继承猎鹰－9火箭成熟技术的基础上研制的两级液体重型运载火箭，采用3个通用芯级并联加二子级的构型，以液氧/煤油为推进剂，起飞时共有27台发动机点火。该火箭全长70m，芯级直径3.66m，起飞质量1420.8t，近地轨道最大运载能力达63.8t，已超越目前所有现役火箭。其二级火箭发动机可多次起动，具备直接将卫星送入地球静止轨道或执行“一箭多星”任务的能力。“猎鹰重型”火箭主要具有以下几个技术特点。

通用化和模块化设计

“猎鹰重型”火箭采用了通用芯级研制理念，通过多个芯级并联以提升运载能力，避免了大直径箭体研制和生产所带来的难题。同时，SpaceX公司提高了“猎鹰重型”火箭与猎鹰－9火箭2个型号的模块化和通用化程度，“猎鹰重型”火箭直接继承了猎鹰－9火箭的一子级、二子级和整流罩，真正实现了不同型号之间的产品化和标准化。在动力系统方面，“猎鹰重型”火箭3个芯级均使用灰背隼－1D+（Merlin－1D+）发动机，二级使用Merlin－1D+真空型发动机。可以说，SpaceX公司用一个发动机型号、一个箭体直径满足了重型和大型火箭的规模和能力需求，实现了型号的产品化，提高了生产、测试、试验等各个环节的效率，使得火箭量产成为可能，有利于大幅降低成本，提高火箭发射频率。

猎鹰重型”火箭与猎鹰－9火箭构型对比

可重复使用

“猎鹰重型”火箭的3个芯级继承了猎鹰－9火箭的自主可控回收技术，回收后经过检测维护可以再次发射，从整体上大幅提升了重复使用率。全箭28台发动机中有27台能够重复使用，发动机复用率达到96%。同时，SpaceX公司还一直在开展“猎鹰”火箭整流罩的回收和重复使用研究工作。可重复使用技术进一步成熟后，必将大幅降低火箭发射费用，缩短卫星发射履约周期。

动力系统冗余

“猎鹰重型”火箭一子级由3个猎鹰－9火箭一子级捆绑组成，共采用27台Merlin－1D+发动机。多台发动机并联设计有利于实现动力冗余，当一台或多台发动机出现故障时，故障发动机自动关闭，重新规划上升弹道，其他发动机推力加大、工作时间延长，具备在数台发动机故障的情况下依然完成飞行任务的可能，从而提高了火箭的可靠性。

推进剂交叉输送

采用通用芯级构型的“猎鹰重型”火箭具有使用推进剂交叉输送技术的天然潜力。该技术可以将火箭助推芯级推进剂输送给中间芯级发动机使用，从而尽早抛掉助推芯级的结构干质量，可以获得更大的速度增量，使运载能力提升20%。尽管优势巨大，但交叉输送仍有大量关键技术尚未解决，因而在“猎鹰重型”火箭实际飞行中并未采用，而是一直处于研发状态。

3 意义与影响

对于SpaceX公司而言，成功实现“猎鹰重型”火箭3次飞行具有重要的战略意义，对于世界航天也将产生重要影响。

推动大型和重型火箭设计理念革新和发展

“猎鹰重型”火箭3次发射成功，证明了通过小推力发动机冗余并联达到重型火箭的所需推力有可能满足可靠性要求。由于发动机推力大小的限制，SpaceX公司通过先进的动力冗余技术以及提高单台发动机可靠性，创新性地解决了多发动机并联存在的问题。在箭体设计方面，“猎鹰重型”直接借用猎鹰－9火箭一子级，通过3个模块并联代替了重型火箭所需的大直径箭体，为重型火箭结构设计提供了另一种思路。

“猎鹰重型”火箭将对未来大型乃至重型运载火箭的设计思路产生影响，尤其是在大部分航天国家和私营航天公司还未掌握大推力高性能火箭发动机、大直径箭体制造技术的情况下，多台发动机并联的通用芯级构型将是在较短时间内实现较大运载能力的现实选择。

进一步冲击世界商业航天发射市场

虽然猎鹰－9火箭在近2年的发射表现抢眼，但其复用构型的地球同步转移轨道（GTO）极限运载能力为5.5t，对于6t以上级别的大型通信卫星则显得力不从心。“猎鹰重型”火箭复用构型的GTO极限运载能力为8t，几乎满足所有大型通信卫星的质量要求，较为富裕的运载能力也有望为卫星提供更优质的服务，如将卫星送入更高的轨道从而延长卫星工作寿命，或直接将卫星送入地球静止轨道（GEO）。而其复用构型发射9000万美元、一次性构型发射1.5亿美元的低廉报价，更将进一步蚕食阿里安－5（Ariane－5）火箭和“质子”（Proton）火箭的剩余市场份额，冲击世界商业航天发射市场。

从目前掌握的数据来看，“猎鹰重型”火箭的市场份额还很小，主要受制于火箭的可靠性和大型卫星的市场占比。随着“猎鹰重型”火箭可靠性的日益提升，卫星研制受火箭运载能力的限制越来越小，可以根据任务需求充分考虑载荷配置和任务周期；尤其是在GEO轨道等轨位有限的情况下，卫星有可能朝着大型化平台的方向发展。因此，未来在大型商业卫星发射领域的市场还有待进一步培育，并有望成为一个新的增长点。

重复使用火箭日益为卫星用户所接受

运载火箭重复使用技术可大幅降低火箭发射费用，提升火箭发射频率，有效缩短卫星发射合同的履约周期。但一开始，SpaceX公司“猎鹰”火箭的重复使用并不被看好。用户更加关注运载能力、可靠性和价格，重复使用则普遍被认为有可能降低火箭整箭的可靠性。然而，随着SpaceX公司技术的不断成熟，用户的评价天平开始倾斜，重复使用带来的诱人报价和快速履约能力终于在2017年打动了“第一个吃螃蟹的人”-欧洲卫星公司－10（SES－10）卫星。迄今为止，SpaceX公司已进行了20余次箭体复用发射，且都取得了成功，所涉及用户包括各大商业卫星公司、美国国家航空航天局（NASA）乃至军方等，说明重复使用火箭日益为卫星用户所接受，而复用火箭也逐渐成为SpaceX公司执行商业发射任务的“标配”。

不可否认的是，目前国际发射市场上的主流还是一次性运载火箭，这种情况的改观还需要一段时间的积累。但重复使用作为运载火箭的未来发展方向，必将取得长足的发展，并逐渐在卫星用户的发射选项中占据主导。

有望承接深空探索和载人航天任务

自2011年启动“航天发射系统”（SLS）火箭研制以来，美国对其寄予厚望，NASA每年投入大量的资金予以支持，并制定了深空探测及载人航天发射等一揽子计划。但“航天发射系统”研制进展缓慢，已经影响到美国载人登月的既定目标。在此背景下，“猎鹰重型”火箭有望承接美国政府的部分深空探索和载人航天任务。据悉，NASA已决定使用“猎鹰重型”火箭代替“航天发射系统”发射“木卫二快帆”（Europa Clipper）探测器，并改用商业火箭发射月球轨道平台“门户”（Gateway）项目的多个舱段。

“航天发射系统”飞行示意图

“猎鹰重型”火箭超强的运载能力为其应用带来了较大的空间，尤其是深空探索和载人航天等大项目下的大型航天器。但需要指出的是，“猎鹰重型”火箭并不能替代“航天发射系统”，其63.8t的运载能力与“航天发射系统”的终极构型相比还有很大差距，仅能在一定程度上弥补“航天发射系统”研制拖延所带来的空缺。

4 思考与建议

美国SpaceX公司结合自身技术基础，创造性地解决了“猎鹰重型”火箭的研制难题，并成功实现了3次飞行任务，对世界航天发展具有重要推动作用。结合我国运载火箭发展情况，提出以下几点思考。

结合技术基础合理制定运载火箭发展路线，推进运载火箭能力的持续提升

目前，世界各国正在研制的新一代主流运载火箭多为近地轨道运载能力20吨级，但对于未来的大规模深空探索和载人航天任务，则需要有近地轨道运载能力100t以上的重型运载火箭。从20～100t以上，运载能力增长4～5倍，技术跨度相当大，研制难度大、周期长，对一个国家的工业基础有相当的考验，可能会在一定程度上拖延拟定的探测计划。而基于20吨级大型运载火箭的研制基础，通过发动机并联和通用芯级捆绑技术，则有望将近地轨道运载能力提升至50～70t，形成大型火箭与重型火箭之间的衔接，从而在重型火箭服役之前承担前期的测试和探索工作，不失为一条较为经济和合理的途径。俄罗斯基于时间及成本的考虑，即提出通过3枚联盟－5（Soyuz－5）火箭并联捆绑构成超大型火箭，来实现初期的载人月球探索任务。

目前，我国已实现长征－5火箭的成功研制，突破了120t液氧/煤油发动机、50t液氧/液氢发动机和5m直径箭体等关键技术，具备构建近地轨道运载能力50～70t超大型火箭的技术基础。通过合理规划火箭型谱、制定火箭发展路线，借助超大型火箭开展前期的探索任务，同时为重型火箭研制验证所需的相关技术，可以实现我国火箭运载能力的持续提升，拓展我国运载火箭能力的覆盖范围，推进我国载人航天和深空探测事业的有序、快速发展。

加速技术创新和应用，增强我国运载火箭的市场竞争力

SpaceX公司基于商业运营考虑和自身技术基础，创新性地开创了一条商业化研制道路，凭借猎鹰－9和“猎鹰重型”火箭极高的性价比获得了众多卫星用户的青睐，在短短几年内力压阿里安－5火箭和“质子”火箭成为商业发射主力。而同时，其他火箭厂商也不甘寂寞，美国联合发射联盟公司（ULA）、俄罗斯、欧洲航天局（ESA）、日本等都在积极研发新一代大中型运载火箭，研制目标均主要放在采取措施降低发射价格上，以应对SpaceX公司带来的冲击，提高市场竞争力。可见，未来国际商业发射市场的竞争将会越来越激烈，在各国运载火箭性能逐步提升的情况下，发射价格日益成为卫星用户选用运载工具的首要因素。

我国“长征”火箭已走过50余年的发展历程，并在国际发射市场上以较低的价格获得了一定的市场占有率。目前，我国正在推进新一代运载火箭系列的研制工作，并成功进行了长征－5、长征－7、长征－6等火箭的数次飞行，但尚不足以应对国际商业发射市场的竞争态势。瞄准未来，应革新研制思路，以用户需求为出发点，加强原始创新和集成创新，加速技术创新和应用，在完善新一代“长征”火箭的性能、增强可靠性的同时，切实降低火箭发射成本，通过不断的技术革新来提升“长征”火箭的市场竞争力，加大在国际卫星发射市场的份额。

加快研制重复使用火箭，尽快实施飞行演示试验

重复使用火箭是航天运输系统发展的方向之一，是未来实现快速、可靠、廉价进出空间的重要途径，美、俄、欧、日、印等国家和地区均大力推进各自的重复使用运载器项目。截至目前，SpaceX公司已完成20余枚一子级箭体的重复使用发射，其中有2枚箭体先后执行了3次发射任务，而执行美国空军空间试验计划－2（STP－2）发射任务的“猎鹰重型”火箭，也采用了2枚此前回收的助推芯级，表明运载火箭重复使用技术日趋成熟，火箭可靠性也在逐渐得到用户的认可。

我国新一代运载火箭采用液氧/煤油、液氧/液氢等航天动力，同时开展了液氧/甲烷发动机的研发工作，具有实施重复使用的先天基础和优势。应进一步加大重复使用运载火箭的研究力度，通过实施飞行演示试验尽快突破关键技术，提高技术成熟度，推动重复使用技术的应用，以适应我国未来低成本、高密度发射的任务需求。