Falcon9系列任务手册全解读

2020-03-24 02:11宋强

卫星与网络 2020年9期

+ 宋强

从2010年6月4日到计划于11月5日（UTC）发射的第三代GPS导航定位的第四颗卫星，在10年5个月的时间里，Falcon 9系列将完成100次发射的壮举。这里的Falcon 9系列包含了三发Falcon Heavy，但不包括2016年9月1日在发射台爆炸的那一枚。

之所以这么归类，是因为Falcon 9火箭，LEO能力从最早9900kg的v1.0，到10450kg的v1.1，再到22800kg的v1.2，能力提高了1倍有余，既然把它们都称为Falcon 9，那为什么不能将Falcon Heavy纳进来统一称为Falcon 9系列呢？（参见表1）

100发，不仅是一个具有符号意义的数字，更是一个代表型号成熟的标志。

SpaceX成为业界关注的焦点久矣，也一直是航天业者的讨论热点，为什么一直讨论SpaceX呢？一方面是其确实出色，另一方面是因为其相对开放透明的对外策略：每次发射前有press kit，有视频直播，有各路大V在社交媒体上的表现等等。本文要关注的就是这个press kit，直译过来是新闻资料袋，实际上就是个对外发布的任务手册，包含有空间任务的一些基本情况。业界总在讨论Falcon 9火箭产品开发快速迭代、不断改进，这个小册子里应该或多或少都会有所体现，本文搜集了官方发布的SpaceX入轨发射的所有任务手册（截止到DM-2/Crew Dragon发射，共计86+3份）。

一、任务手册里包含了什么

任务手册并不是SpaceX独有的，很多国外火箭一些可以公开的任务都有press kit，国内的也有，只是不在网上对外发布。（参见图1）

在早期，SpaceX的任务手册内容很丰满，有火箭、载荷、发射场、大工程背景、科学项目、公司、领军人物等各种信息的介绍，笔者关注的火箭这一部分，有详细的射前准备流程、飞行时序、发动机性能等信息，随着Falcon 9火箭的不断成熟，press kit的内容也在不断缩水，许多重复的内容都省略了，甚至在DM-2/Crew Dragon之后就停止了发布。表2给出了几型典型火箭、几次任务手册的内容对比情况。

表1 Falcon 9系列一览

图1 Soyuz和Falcon9任务手册封面

再结合space launch report网站整理的发射简报，每发任务的时序、目标轨道、载荷重量都能了解个八九不离十。

二、从任务手册我们能收获什么

1.数说Falcon 9/H发射记录

我们通过对Falcon 9/H发射记录进行多维度的梳理与统计，由数据分析揭示SpaceX的发展历程，这些维度包括：发射轨道类型、不同首区发射次数、历年发射次数、任务性质、各型号版本发射次数、发射载荷质量（若无特别说明，一箭多星按单次发射的总重计）等多个方面。（参见图2-12）

LEO任务占比约50%，GTO(+/-)任务占比接近3 0%，其他任务约20%。

南射向发射大倾角轨道（如：二代铱星组网）一般在范登堡空军基地（VA）进行，占比约15%；东（北）射向任务（如：国际空间站补给、GTO）均在卡纳维拉尔角（CC）/肯尼迪航天中心（KC）进行，占比85%。

在2016年后，发射量基本达到两位数，2018年达到21次，2020年有望创造新的纪录。

政府发射任务占比约40%，主要包括NASA商业补给服务（CRS）20次以及空军、NRO、国防部的任务。

虽然随着任务数量的累计，政府发射任务的比例呈逐渐降低的趋势，但这也一定程度上说明在研制早期，政府订单对SpaceX的强大支撑作用。

2019年之前，商业发射以GTO商业卫星、铱星为主，在星链项目进入组网发射后，其发射次数和占比短时激增，已占到总商业发射的20%，而且长远来看还将高速增长，其自身创造发射需求的特征非常显著。

表2 任务手册包含内容的对比

图2 发射轨道类型分布

图3 首区发射次数分布

图4 历年发射次数分布

图5 任务性质统计

早期版本的v1.0和重型发射数量很少，二者之和也不及两位数，v1.2大量发射，达到总量的约75%。

在56次LEO(/ISS)任务中，有47次任务的载荷超过5t，23次为龙飞船CRS任务，15次为星链，8次为铱星。

在所有发射载荷中，60%以上大于5t，小于1t的只有5次。单次发射载荷质量最小的是TESS深空探测器（0.35t），最大的是星链一箭60星组批发射（15.6t）。

在30次GTO发射任务中，50%超过5t。

进一步对GTO任务进行主载荷单星质量的统计分析，可见Falcon 9主要承担的是5t级一箭一星任务，单星质量小于4t的占30%，小于3t的占12%。

从上述统计，可知：

Falcon9主要承揽的是LEO（含部分大倾角、非SSO的任务，如二代铱星）和GTO任务；简而言之SpaceX用一型火箭包揽了其他发射服务商好几型火箭的任务；

主要在卡纳维拉尔角/肯尼迪航天中心进行发射，占比约80%；

以CRS任务为代表的政府发射订单对SpaceX有强力支撑作用；

作为初始版本的v1.0与中间版本的v1.1，在有限的发射次数后，即停产弃用；

GTO载荷5t级（含以上）居多，占到70%；

近年来，星链项目发射需求激增，SpaceX自身创造发射需求的特征非常显著。

2.Falcon9构型发展历程

Falcon9发展历程所涉及的主要参数见表3。

图6 任务性质统计（续）

图7 各型号发射次数统计

图8 LEO载荷发射次数统计（大于5t）

图9 发射载荷质量分布统计

图10 GTO发射载荷质量分布统计（单次发射）

图11 GTO发射载荷质量分布统计（单星）

Falcon9的三个版本对比示意图给出了三个版本对比（参见图13），其中：

v1.0即Block1，F1-F5，发射了5次；

v1.1即Block2，F6-F20，发射了15次；

v1.2可细分为Block3-5三个版本，由于在后期出现了回收的老版本一级+高版本二级混搭使用的情况，故一般笼统称为v1.2，F21-F81，发射了61次（不含重型发射的3次），F55为Block5构型首飞。

从表3中可见，各版本间的主要区别在于发动机性能（推力、比冲）增加、子级长度/加注量增加，这种改进未必能通过飞行时序直接表现出来，与国内火箭发动机不变、单纯增加子级长度，继而延长该级飞行时间有所不同。

从v1.1开始，进行了一级垂直回收试验，并在F21和F23分别取得首次陆上、海上回收成功。

在任务手册中能够映证的4个项目如下：

一级发动机节流能力的变化；

级间段长度变化（二级发动机喷管增长）；

采用过冷推进剂；

一级重复使用的频率。

3.按型号改型版本解读

按型号三个版本进行关机时间的对比统计（图14），可见一级关机时间140～180s不等，不仅和型号版本有关，从v1.1开始陆续进行一级回收试验，一级关机时间与是否回收，是陆地回收还是海上回收也有关系。

在F4、F5任务手册中，明确描述了一级两台发动机提前关机，起到关机过载控制的作用，在v1.1型首飞的F6任务中提及在接近一级关机时，发动机进行节流以控制关机过载。

图12 GTO发射载荷质量统计_续

表3 Falcon9火箭发展历程所涉及主要参数

二级工作时间（图15），基本与表3中所记录的350～400s相符，有部分超出此范围的子样，可能和使用过冷推进剂、目标轨道/载荷质量差异、发动机节流、部分时序数据仅精确到分钟等因素综合作用有关。

最大动压时刻发生在60～85s区域内，与每次具体飞行方案有关。（图16）

对于有多次启动的任务，统计了滑行时间（图17）：以发射GTO任务滑行1000s左右的居多，其次是采用滑行约半个轨道周期（2500s）、霍曼转移方案的二代铱星、星链等近地轨道任务，滑行时间最长的是GPS导航卫星的发射任务（未将Falcon 9H的一并统计，Falcon 9H-3二级执行了4次启动，滑行时间累计11879s，＞3小时）。

从二级关机到载荷分离所间隔的时间（参见图18），多集中在几十秒～几百秒不等，GPS导航卫星和星链发射任务则相对较长，达到2800s和近1000s。即便考虑末速修正和调姿定向，几百秒以上的时间也显得冗长，综合考虑可能是出于分离点测控条件的考虑，以GPS导航卫星发射为例：二级关机点位于澳大利亚南部上空，星箭分离点位于美国西海岸西南部上空。

在一二级分离附近，从一级关机到分离、从分离到二级启动，两个相对时间信号取值分布见一级分离相对时间图（参见图19）。可见分离到前者 3-4s居多，关机后效结束执行分离，在v1.1前两次飞行中，取了7s和5s，可理解为新改进发动机，保守多留了几秒。

Falcon9级间分离是冷分离，作动杆反推，从分离到二级启动的时序设计，理论上和级间段长度（分离行程）、一级剩余推进剂质量、分离力（分离速度）应有关系，图20中数据的表现并不能支撑相关推断。v1.2首发F21取值11s，同前述还可解读为硬件改进后首发的保守，但之后多发稳定在7～8s中，偶尔为1～4s，难道与一级复用的情况有关？类似的相对时序，国内火箭在型号固化后一般是不会有改动的，毕竟已经过多次地面试验和飞行考核了。

4.多星分离时序

图13 Falcon9的三个版本对比示意图

图14 一级关机时间（MECO）

图15 二级总工作时间

SpaceX承担的一箭多星发射任务，占到总任务量的约1/4，比较典型的有：二代铱星、星链等，多次启动实施差异化轨道部署的较少。表4列出了多星发射任务载荷分离时段的基本情况。相比之前对星箭分离的认知，还是有不少值得琢磨之处，比如：二代铱星一箭10星发射，间隔约100s才分离一颗卫星，国内似乎较少采用这种模式。星链走的则是另一个极端，60颗卫星整体一次性与火箭分离，再自行分散。

在F65 Spaceflight一箭64星拼车发射任务（参见图21、22）中，多星分配器由Spaceflight公司承制，SpaceX并未负责多星分离的设计与实施。

5.射前准备流程

射前时序变化，主要是加注、预冷、增压，其他的信息过少，射前关键工序时间对比情况见表5。

综合而言：

加注时序大致经历了约-4h/-3h/-1h/-0.5h开始加注四种状态，相应的完成加注时间有-3h/-1.5h/-0.5h/-0.25四种状态，并在Block5版本上达到极致（Falcon 9H的加注时间相比Block5略有提前），可见随着过冷推进剂的使用，射前流程安排在不断的压缩，以期发挥“过冷”的效果；但似乎在加注流程安排上也存在一定的反复，即F21-F28期间已试验了-0.5h状态，但在Block5之前又回到了-1h状态；

射前预冷从F27开始，从-10m-＞-7m；

射前增压从F21开始，从-40s-＞-1m，可能是加长箭体后，气体需求量增加。

6.一级回收段解读

Falcon 9从F6开始进行再入返回减速试验，到F21首次陆地回收成功，再到F23首次海上回收成功；截止目前，Falcon 9/H总共进行了78次一级回收尝试，67次成功，为回收配备了两个海上平台、三个陆地回收着陆场，基本情况统计见表6。

图16 最大动压时刻

图17 滑行时间

图18 载荷分离-二级关机时间

图19 一级分离相对时间

除Falcon 9早期版本以及计划中的不出驳船以外，一级工作时间与回收距离的关系基本如表7。

其中陆上返场、近海回收需要在一二级分离后进行返回机动、减速机动和垂直着陆机动三次机动；远海回收只执行减速和垂直着陆两次机动。

Falcon 9H两个助推器大致工作150s，芯级通过节流工作180～210s，芯级回收点航程较Falcon 9一级较远，最远达到过1200km（F9H-F3），三次芯级回收均未成功。F9H-F1的芯级还执行了类似近海回收的返回机动程序。

海上驳船是个好的选择，大大提升了回收选点的灵活性，比内陆发射，航线下建回收场坪要灵活——火箭一级推进剂足以支持其返回到离岸300km距离的，就不必让驳船开出去那么远，能力不富裕的就让驳船开到600km等候。SpaceX目前一共有四条驳船，运营维护费不低，似乎是为更高密度的发射和回收做好准备。

2020年2月17日，F-82 星链第5次组批发射一级未能成功进行海上回收；3月6日，马斯克在社交媒体上发文称是错误的风场数据导致的回收失败，这引发了回收段会使用测风数据的猜想，可能会调整一级上升段方案或在下降段考虑风的影响，提前让船移动到指定位置等待，也可能两者兼有之。

通过任务手册的数据，也能对部分任务的回收段时序有所认知，按陆上回收、近海回收和远海回收分别进行了图例绘制，可知：

A）对于陆上回收，一般在级间分离后20s内进行返回机动，390s左右进行再入减速机动，在起飞后约450～600s左右完成着陆动作；（图25-27）

B）对于近海回收，一般在350～400s左右进行再入减速机动，在起飞后约500s左右完成着陆动作；（图28、29）

图20 二级启动相对时间

表4 SpaceX一箭多星发射载荷分离时段

C）对于远海回收，一般在380s左右进行再入减速机动，在起飞后约500s左右完成着陆动作。FH-F3的芯级回收距离最远，达到1200km+，故相应的时序发生最晚。（图30、31）

7.一级复用情况统计

从2017年3月30日第一次使用二手一级火箭开始，到2020年F81为止，Falcon 9一子级复用的基本情况如表8所示。可见在80余次的发射任务中，有接近70%都使用了复用一子级。一子级从编号B1046开始为Block5版本，之前的版本未有使用超过两次的记录；而全系列Falcon 9火箭一子级目前总共生产数量约60个左右。

从复用时间间隔来看，最短间隔时间50天，最长619天，平均值167天，尚未出现1个月内复用的情况，说明真正意义上的快速检测、复用可能仍处于研究与试验中。（参见表9）

2020年2月初，SpaceX的工程师在卡角肯尼迪航天中心做了简短的演讲，涉及以下主要信息：

翻新Falcon 9一级需要1个月的时间；

成立了类似于民航客机检修的箭体翻新小组；

芯级回收以后只留在发射场当地的厂房中，基本不会跨州使用或返回霍桑的工厂；

翻新过程中，需检查连接部位和焊缝，并确保所有的航电设备都工作正常，检修工作要求非常细致，所以耗时较长，团队尚在实践中摸索。

2020年3月18日，第6批星链组批发射，首次使用了五手一级箭体，编号B1048.5，使复用次数达到新的记录——5次，是当初宣称的小规模翻修节点，但在一级飞行末段，外围的1台发动机发生故障，一级回收也出现问题未能够成功着船。在发射前夕，SpaceX总裁肖特维尔表示，公司不再对Falcon 9火箭一级进行设计改进，同时不打算复用一级超过10次以上，但不排除进一步改进火箭二级的可能。（参见图32）

图21 F65-Spaceflight SSO-A多星发射任务想象图

图22 F65-Spaceflight SSO-A多星发射分配器图解

2020年6月以来，在星链带来的高密度发射中，B1049与B1051均实现了6次飞行；B1058把复用时间缩短到50天。

2020年8月31日，马斯克在推特上称将会在Starlink任务中将猎鹰9的复用次数推高到10次。

8.按主要任务类别解读

Falcon9/H执行的100次发射任务，一半以上任务均采用了多次启动，多次启动技术大大提升了发射任务灵活性，只有国际空间站、星链等轨道高度较低的发射任务未应用多次启动技术。

（1）国际空间站（ISS/LEO）任务

2020年3月7日，发射的CRS-20任务，是SpaceX执行的第一阶段“商业补给服务（CRS）”合同的最后一发。可以说SpaceX是从承担CRS任务起家的，有20余次的飞行都是和国际空间站相关的。在这20余次的飞行中，两级火箭连续工作时间500～600s，发射高度较低的LEO任务是比较合适的。

货运龙飞船质量（含2t左右的补给物资）一般在8t左右，在回收技术成熟后利用富余运载能力实现一级陆上回收。也有几例比较特殊的情况，采用了海上回收模式，具体原因不详。首次海上回收成功就是F23 CRS-8/Dragon10任务。有两次任务（F-71、F74）主动段时序仅有2s的差异，但分别采用了陆上和海上回收；另，F-69执行的载人龙飞船试验任务，飞船重12.5t，采用的是海上回收模式。

CRS合同不仅仅是一个发射合同，是火箭+飞船的打包销售合同，其针对的是“俄罗斯联盟火箭+进步号飞船”的组合。通过这20余次任务所开展的研制、试验与改进，SpaceX不仅做到了火箭部分重复使用，也做到了飞船部分重复使用，开启了航天业内重复使用的新模式。

（2）二代铱星（Iridium NEXT）组网任务

铱星系统是低轨全球移动通信系统，第一代铱星星座总计66颗卫星，分布在6个近地轨道面上，1998年完成部署。其部署（含补充星），选用了4型火箭：其中60颗，以一箭五星的方式由Delta2 7920-10C重型发射12次完成部署；21颗，以一箭七星的方式分3次由Proton-K/DM-5发射完成；剩下的，都以一箭双星的方式完成，CZ-2C/FP发射了6次，Rockot/Breeze-KM发射了1次。

二代铱星计划，于2007年启动，只选用了一型火箭进行发射，就是SpaceX的Falcon 9，主要以一箭十星的方式发射入轨，组网任务耗时2年时间，发射了8次，共计75颗卫星。采用了二级长时间滑行+远地点二次启动、发动机短时间工作的发射方案，由于二次启动的速度增量需求很小，Falcon 9二级的大推力发动机工作时间很短，最短3s最长11s，而且可能还是节流状态，技术上是比较领先的。

表5 SpaceX射前关键工序时间对比

在8次发射任务中，有3次没有回收（没派出驳船），但其中的2次执行了再入减速和落海动作，可能是进行回收子样累计试验。

（3）地球同步转移轨道(GTO/GTO+/GTO-)任务

2013年12月，Falcon9火箭F7发射SES-8卫星是其首次GTO任务。在总计30次的GTO任务中，对重量不同的载荷采取差异化策略，通过一子级回收/不回收、远地点高度调整（GTO-/GTO/GTO+）多种组合满足用户和重复使用的需求。

Falcon9是市面上罕见的可适应主流GTO载荷的两级串联、且不用氢氧动力的火箭，无论是美国自己的Delta、Atlas，俄罗斯的Angara、Proton，欧空局的Ariane，日本的H-2，还是国内的CZ-3A系列、CZ-7A等，都不符合这1条，要么用了更多的级数，要么用了氢氧动力。这说明Falcon9在结构轻质化、发动机综合性能方面已经达到很高水平，牢牢抓住了“火箭”的根基。火箭，火不就说的是发动机吗？箭说的不就是箭体结构吗？加上多次启动的技术，更是如虎添翼，成为一型“包打天下”的产品，不用再加个三级或是四级了。

三、体会和认识

1.SpaceX的发展离不开官方的实质性支持

从某种程度上说，Spacex是美国ULA公司垄断发射市场和俄罗斯垄断载人天地往返格局的受益者，NASA有限的经费要用于航天发射、空间站补给、载人往返，在这两个垄断供应商的高价面前捉襟见肘。况且ULA因为手握大量军方订单，使NASA在议价中处在极其不利的地位。转而扶植太空探索技术公司等私营供应商，也是一种破局的选择。

NASA从人才、技术、政策等方面对SpaceX大量倾斜，还对这家新兴企业进行了输血式的经费扶持。在Falcon 9飞行的早期，几乎所有合同都来自于NASA，即使到了它颠覆国际商业发射服务市场、强力切入军方发射市场的今天，NASA合同在Falcon 9的任务当中也占有很大的比重。

表6 Falcon 9/H一级回收基本情况统计

表7 Falcon 9一级工作时间与回收距离

图23 一级驳船回收平台

图24 整流罩回收船

2.中国商业航天的环境与美国不同

中国的发射服务业格局与美国有较大的差异。因为体制和机制，国有发射服务商的议价能力很低，发射服务的利润率被人为控制在某个水平。偶然甚至会出现政策性亏损。

国家允许商业企业进入发射服务业之后，出现了多家国有和民营的发射服务公司，提出了很多型号，在市场上竞争有限的合同。近几年，虽然中国的全年发射数量全球领先，但还是不能让火箭产能充分“吃饱”。

3.商业航天的产品定位与目标

卫星应用市场才是整个航天产业的大盘，所以SpaceX搞火箭只是个开胃菜，星链才是正餐。殖民火星呢？不知道，也许会给人惊喜，姑且算是道令人期待的surprise甜点吧。

SpaceX的定位和产品研发路线很明确：扬长避短，追求大运力，不做小型号；减少型号种类，Falcon 1负责演示验证，Falcon 9包办近地轨道发射，龙飞船解决空间站往返，星舰志在火星，星链负责盈利。

4.未来新应用方向的猜想

将航天器发射入轨是运载火箭目前唯一的应用场景，未来新的市场空间在哪里？更大的火箭、完全重复使用的火箭、太空旅游、洲际航行、卫星星座、空间站货运补给、卫星抢救飞行器、太空电梯？目前来看拓展新领域的尝试很艰难，要想守住已有的阵地都很困难，但不拓展生存空间恐怕于情于理都说不过去。

图25 陆上回收时序1

图26 陆上回收时序2

图27 陆上回收时序3

图28 近海回收时序1

人类移动速度的变化过程：靠两条腿跑步，最优秀的马拉松运动员平均速度是20km/h；起码，快马加鞭可达40km/h；乘坐汽车，速度达100km/h；乘坐高铁，速度达300km/h；乘坐民航客机，速度达到了 800km/h……宇航员由火箭载入太空，速度达到27000km/ h——从民航客机到火箭，速度跨度猛然加大，笔者总感觉中间欠缺了承上启下的一种时速5k到10k级的交通方式，我们可以猜想，是类似协和飞机那样的超音速客机还是亚轨道旅游飞行器？

5.产品成本真的能降低吗？

航天是个小众行业，在国内的圈子就更小了，配套厂商、试验场地，可供选择的很有限，即便尽可能的杜绝了单一供应商，引入竞争机制，产品成本真的能降低很多吗？成本高的原因就在于市场小、需求小、规模上不去，因此寻找更广大的市场空间，打造杀手级应用，才是降低成本的关键。另外，行业寡头的存在，存在已久的利益链条，只有出现掀麻将桌的玩家，才能倒逼全行业重新洗牌，可是“拖家带口”的，真的好转身吗、能转身吗？