猎鹰9号火箭发射及箭体复用的分析

刘敏华

(1. 西北工业大学，西安 710072；2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

天地往返重复使用是航天技术发展的重要方向，从技术路线上来看，“垂直起降”“垂直发射、水平着陆”“水平起降”等几种技术途径都在并行开展研究和实践应用，其中猎鹰9号火箭所发展的一级箭体“垂直起降”发射回收复用技术，已最为成熟，并多次应用于火箭重复使用发射任务中，在重复使用工程应用方面走在了前面，积累了经验和大量可供分析的数据子样。基于此，本文以猎鹰9号火箭作为目标研究对象，以期对重复使用研究和应用工作有所借鉴和帮助。

1 猎鹰9号火箭及状态演变

猎鹰9号火箭自研制以来，已发展演变了5个版本的火箭。

(1)猎鹰9号1.0版(已退役)

猎鹰9号1.0版为两级火箭，第一级搭载了9台Merlin 1C发动机(采用九宫格布局)，第二级搭载了一台Merlin 1C真空版发动机，均为液氧煤油发动机，第一级不可回收。LEO运载能力10 450 kg，GTO运载能力4 540 kg。1.0版火箭共进行了5次发射，4次完全成功，1次部分成功。2010年6月4日首次发射，2013年3月1日发射CRS-2任务后退役不再使用。

(2)猎鹰9号1.1版(已退役)

相比1.0版，猎鹰9号1.1版火箭长度增加到68.4 m，一级发动机改为9台Merlin 1D发动机(采用圆形布局)，可实现节流调节能力，发动机推重比也大幅提高[1]。LEO运载能力提高到13 150 kg。1.1版共进行了15次发射，2013年9月29日首次发射，除2015年6月28日发射CRS-7任务失败外，其他主线任务都取得成功。

(3)猎鹰9号全推力版Block3(已退役)

猎鹰9号全推力版Block3火箭长度增加到70 m，发动机升级到Merlin 1D+发动机，通过冷凝处理技术提高液氧煤油的加注量，LEO运载能力提高到22 800 kg，GTO运载能力8 300 kg，一级完全可回收。共进行了25次发射，2015年12月22日首次发射OG-2任务，一级箭体B1019.1首次成功回收。除AMOS-6任务在发射前意外爆炸，其他发射均成功，实现了16次成功回收。

(4)猎鹰9号Block4(已退役)

猎鹰9号Block4为过渡版本，采用钛合金栅格舵取代铝合金的栅格舵。2017年8月14日首次发射，共进行了12次发射，在猎鹰9号火箭第57次发射后退役不再使用。

(5)猎鹰9号Block5(现役)

猎鹰9号Block5采用了全新设计的上面级，重复使用能力大幅提升。2018年5月11日首次发射，截至2023年12月31日，已完成229次发射，全部取得了成功。

2 猎鹰9号火箭(Block5型)的发射统计分析

2.1 按年度的统计分析

自2018年Block5版本火箭成功首飞以来，按年度(统计见表1)来看，猎鹰9号火箭的年度发射次数呈持续上升态势，并且取得了全部成功。2023年，更是以15枚在役一级箭体的多次复用，支撑了全年91次的火箭发射，一级箭体年平均复用次数达到6.06次。

表1 按年度的统计Tab.1 Statistics by year

2.2 按任务的统计分析

Block5版本火箭按任务来源统计数据见表2，分析如下。

表2 按任务来源的统计Tab.2 Statistics by task source

1)星链任务：详见2.3节，是当前猎鹰9号火箭高密度发射的主要任务来源，发射次数总占比已达57%，2023年度占比更是达到69%。

2)NASA科学任务：个位数，任务相对较少。

3)军方国防任务：主要为GPS III卫星、NROL侦察卫星和太空发展局SDA卫星。

4)国际空间站ISS货运和载人任务：相对稳定，每年任务次数为4～5次。

5)国内用户：主要为国内通信公司。

6)国外用户：随着猎鹰9号火箭不断成熟与可靠，国外用户的数量持续增加，以通信卫星/星座发射为主，目前已成为排在星链发射任务之后的第二大发射任务。

7)拼单发射服务：瞄准小卫星市场，持续推出了1次一箭多星和9次Transporter拼单发射服务。

8)商业太空飞行任务：目前主要形式包括亚轨道飞行和轨道级飞行，经过多年的探索，在2021年实现了集中突破和爆发。2021年，维珍银河1号载人亚轨道飞行成功，蓝色起源载人亚轨道飞行成功，同年Space X的轨道级载人也发射成功。截至2023年年底，Space X通过猎鹰9号火箭，已成功发射实施了3次轨道级商业太空飞行任务，分别为2021年的Inspiration4载人任务(4名乘员、约2亿美元成本和3天轨道飞行)、2022年的AX-1任务(4名乘员、约2亿美元成本、与ISS对接和10天周期往返)和2023年的AX-2任务(4名乘员、约2亿美元成本、与ISS对接和10天周期往返)，搭乘了12名乘员进入空间或空间站。

2.3 星链任务的统计分析

从2018年发射星链卫星以来，截至2023年12月31日，通过猎鹰9号火箭，星链卫星已累计发射了5 650颗卫星(具体统计见表3)，其中包括2颗Tintin测试卫星、60颗V0.9版卫星、1 678颗V1.0版卫星、2 974颗V1.5版卫星和936颗V2 Mini版卫星。

表3 星链任务的发射统计Tab.3 Launch Statistics for the Starlink Mission

3 一级箭体的复用分析

3.1 整体生产和库存情况

猎鹰9号火箭一级箭体的编号，采用了Booster首字母B加序列数字的编号形式。

B0001～B0007(7个)，是用于技术验证与演示猎鹰9号，也被称为V1.0版。其中B0001和B0002用于测试，其他5枚箭体用于发射。

B1001～B1018(18个)，被称为V1.1版。其中B1001、B1002、B1009用于测试，其他15枚用于发射。

B1019～B1038(20个)，被称为完全推力版本。其中B1027用于测试，其他用于发射。

B1039～B1045(7个)，属于Block4版本。

B1046开始，为Block5版本，快速稳定生产。截至2023年年底，有B1060、B1061、B1062、B1063、B1064、B1065、B1067、B1069、B1071、B1073、B1075、B1076、B1077、B1078、B1080、B1081等一级箭体在服役。

生产的部分一级箭体用于猎鹰重型火箭的助推和芯级，详见表4。

表4 猎鹰重型火箭发射及其一级箭体使用情况Tab.4 Falcon Heavy rocket launch and its usage of the stage-1 booster

3.2 一级箭体(Block5型)复用的统计情况与能力评价

通过表5的数据，对当前复用能力的评价，从以下3个指标进行分析。

表5 一级箭体使用情况Tab.5 The usage of the stage-1 booster

1)可复用次数S：代表箭体在回收维护后能够正常使用的能力，目前表征的最大次数是19次。

2)平均复用率：表征的是一枚箭体在一段时间内重复使用的频率，从能力角度它主要与维修维护及周转间隔时间D有关。不同一级箭体的年平均复用率在不断提高，已从最开始B1046箭体的1.8次/年，逐步增加到B1076箭体的8次/年。

一级箭体的周转间隔时间D与箭体所处的维护状态和维护等级有关。重复使用火箭的检测维修，一般采用三级维护维修[2]。猎鹰9号火箭关注复用准则的探索，通过振动试验验证重要部件的疲劳寿命能覆盖4倍于15次飞行任务的工作时长，建立了3个级别的复用检测维护准则，即每次任务后都进行的A级检测，执行6～7次飞行任务后的B级定期维修，发射次数最多(13次以上)和执行载人任务需进行的C级彻底维护。同一一级箭体的最快周转间隔时间为B1062箭体创造的22天。

3)发射频率：表征一段时间内发射的次数规模，可用年发射次数或年平均发射间隔时间来表征。它是一个综合的结果指标，与发射需求M、箭体库存量K、箭体可复用次数S、周转间隔时间D以及与之相匹配的二子级生产率、发射台与回收船周转率等因素有关。2023年度，猎鹰9号火箭实现了年发射91次，或者是平均每4天发射一次的频率。

由于猎鹰9号火箭的二子级不可重复使用，为匹配适应火箭高发射频率的要求，二子级的生产率已提高到年产百发产品的水平，后续还将进一步提高。

3.3 一级箭体复用及退役策略的分析

从统计数据来看，一手新火箭除个别火箭用于发射星链任务外，优先用于国际空间站载人/货运任务和高价值载荷任务。

一级箭体的退出，一种是通过计划中的不回收方式销毁，还有一种方式就是回收失败或损毁。而对于计划中的不回收，可能是用于特定试验(如B1046.4开展的IFA测试)，或者是用户要求全推进剂工作用于投送载荷(如B1047.3、B1051.14、B1054.1)。

4 发射台和着陆回收的统计分析

4.1 整体情况

猎鹰9号火箭的发射台目前有3个：东部卡纳维拉尔角太空军基地的SLC-40、肯尼迪航天中心的LC-39A以及西部范登堡空军基地的SLC-4E。近期Space X公司对卡纳维拉尔角的SLC-40发射台进行了改造，安装了宇航员空中廊桥，改造完成后具备支持载人龙飞船发射的能力，这是继肯尼迪航天中心的LC-39A之后，Space X公司拥有的第二个可用于发射载人航天任务的发射设施。同时为满足后续更大的发射需求，Space X公司已租下范登堡空军基地的SLC-6工位，作为西海岸第二个发射台。未来发射布局会更加全面优化、分工明确，西海岸主要用于极轨发射，东海岸主要用于载人航天、中低倾角LEO、GTO、GEO、跨月、日心等轨道的发射。

一级箭体的回收，目前有陆上回收和海上回收两种方式。陆上着陆区，包括卡纳维拉尔角的LZ-1、LZ-2和范登堡空军基地的LZ-4。海上回收采用海上回收船ASDS进行回收，海上回收船目前有3艘在役。

1)JRtI(Just Read the Instructions)：第一艘服役6个月后于2015年退役，目前在役的为第二艘，2017年1月14日部署铱星NEXT-1时，首次成功回收一级火箭。2015—2019年在西海岸服役，维修后部署调整到东海岸，2020年6月4日复出执行任务。

2)OCISLY(Of Course I Still Love You)：2016年3月4日首次尝试回收一级火箭(B1020发射SES-9任务)，结果失败。2016年4月8日B1021.1发射CRS-8龙飞船，一级火箭成功降落在海上平台。2015年12月至2021年6月期间部署在东海岸卡纳维拉尔港，2021年7月转至西海岸加州长滩港。

3)ASoG(A Shortfall of Gravitas)：部署在东海岸卡纳维拉尔港，2021年8月首次回收B1061.4箭体。

4.2 发射台的使用周转分析

2023年是猎鹰9号火箭发射的历史高峰年，以该年发射任务情况来分析。在其3个发射台中：卡纳维拉尔角SLC-40发射台年度发射最多，最为繁忙，2023年共发射了55次，年平均6.6天发射一次，最快周转周期3天，最长周转周期12天；范登堡空军基地的SLC-4E发射台次之，共发射了28次；肯尼迪航天中心LC-39A最少，只有8次，加上猎鹰重型的5次发射，共发射了13次。

SLC-40发射台能够实现高的使用频率，与猎鹰9号火箭采用“三平”(水平总装、水平测试、水平整体转运)测试发射模式和发射台采取简化与箭地一体化设计等因素有关。“三平”测试发射模式极大减少了发射区的占位时间和保障需求[3]。

4.3 回收方式的选择与使用周转分析

猎鹰9号火箭一级箭体回收方式的选择，主要取决于投送的载荷质量与轨道(参见表6)。以2023年度来看，对于拼单、SDA卫星和商业乘组等投送质量相对较小的低轨载荷任务，猎鹰9号火箭的一级箭体均实施陆地着陆进行回收。2023年度陆地回收共计13次，占比14%。

表6 不同轨道和回收方式对应的载荷能力(开源数据)Tab.6 Payload capacity for different orbits and recovery methods(open source data)

对于承担主要回收方式的海上回收，2023年度回收占比达86%。其中西部只部署了一条船“OCISLY”，2023年回收21次，最快周转周期8天。在东部则部署有两条船“JRtI”和“ASoG”，交替进行回收，2023年回收57次，最快周转周期也均为8天。

5 猎鹰9号火箭的拼单发射服务

从2021年开始，猎鹰9号火箭针对小卫星发射市场需求，推出了Transporter系列拼单发射服务，截至2023年12月底已先后发射了9次，累计将785个卫星载荷送入轨道。

综合表7和其他开源信息，可以看出：

表7 拼单发射服务情况Tab.7 Joint order for the launch service

1)拼单发射服务部署的轨道主要选择面向太阳同步轨道或极地轨道，这对于种类繁多的小卫星领域，相对容易拼单发射。拼单发射提供了5种载荷配置形式，包括位于分配器顶端的“蛋糕顶”舱位、1/4舱位、1/2舱位、全舱位、加大版全舱位。

2)对于卫星载荷发射服务，Space X公司的猎鹰9号火箭既可提供直接发射入轨服务，也可通过载荷分包模式，即通过集成部署器或轨道转移飞行器OTV(可用于提升卫星轨道、调整倾角)来部署小卫星。美国Spaceflight、德国Exolaunch、意大利D-orbit等公司作为分包商先行购买猎鹰9号火箭的载荷堆栈接口，每个接口100万美元、可搭载200 kg载荷，分包商之后再分配给卫星客户。如在Transporter-1任务中，Spaceflight公司的Sherpa-FX OTV搭载了13颗小卫星，Exolaunch公司包揽了30颗卫星，意大利D-orbit公司包揽了20颗卫星。

3)精细成本控制。小卫星的拼单发射任务，卫星数量虽大，但载荷总质量仍较小，相较猎鹰9号火箭的低轨运载能力余量较大。为此发射时二级采用了短喷管版的真空梅林发动机以节约成本，一级则直接返回发射场附近进行陆地着陆。

4)价格优势。目前猎鹰9号火箭的拼单发射价格虽已涨至5 500美元/kg，但相比火箭实验室的电子火箭发射报价38 000美元/kg SSO，仍具有非常大的价格优势。

6 猎鹰9号火箭的经济性与前景预测

6.1 猎鹰9号火箭的成本与经济性分析

2020年以来猎鹰9号火箭成本构成及占比见表8。全新猎鹰9号火箭的发射服务报价6 200万美元(2022年上调至6 700万美元)，复用型火箭发射服务报价5 000万美元，1次全新火箭发射和1次复用火箭发射的利润为(6 200+5 000-5 000-1 500)万美元=4 700 万美元，即接近一枚新火箭的制造成本。

表8 2020年以来猎鹰9号火箭成本构成及占比(万美元，开源数据)[4]Tab.8 The cost composition and proportion of the Falcon 9 since 2020 (Ten thousand dollars，open source data)[4]

理想情况，按照一级执行12次、整流罩执行6次来计算，发射12次的成本为：(5 000+1 500×11+500)万美元=22 000万美元，发射收入为(6 200+5 000×11)万美元=61 200万美元，利润高达39 200万美元。

实际过程中，Space X公司为使市场接受复用型火箭执行发射服务，采取了自降利润、返还合同款、免费提供附加服务等措施。正是在这些措施激励和猎鹰9号火箭复用技术不断成熟的情况下，美国军方逐渐放宽并取消了对一级回收和复用的限制。

6.2 未来前景预测

(1)未来一段时间，猎鹰9号火箭仍将进一步提高发射频率和重复使用率

Space X公司已宣布2024年将实施144次发射，达到平均每2.53天发射一次的高密度。从发射任务需求来看，猎鹰9号火箭不缺任务，星链任务仍将是未来一段时间内的主力，Space X公司已经获批部署12 000颗星链卫星，目前约有5 000颗在运营。

从发射的角度分析也是可行的。猎鹰9号火箭在东部有两个发射台和两个海上回收船，短板在船的周转周期，即使按8天考虑，东部发射/海上回收预估可达到90次。在西部有一个发射台和一个海上回收船，西部发射/海上回收预估可达到45次，再加上陆地回收和猎鹰重型的发射，144次的发射次数完全是可实现的。后续随着西海岸新增的SLC-6发射台投入使用后，预计2025年的年发射总数将达到200次规模。

对于一级箭体的最大可复用次数能力，目前已达到19次水平，未来肯定将进一步向前探索推进，突破20次、30次甚至更多。一级箭体的年平均复用率目前已经达到8次/年的水平，受维修维护周期影响，后续再提高的空间有限，10次/年可能会是上限。

(2)长远看，猎鹰9号火箭的主力地位将被完全重复使用的超重星舰系统所取代

超重星舰系统目前已开展了两次综合飞行试验，虽然尚未取得成功，但在技术上已实现了重大突破。超重星舰系统具有的超大运载投送能力，使得低轨的目标投送价格低至10美元/kg，远低于猎鹰9号火箭的5 000美元/kg。超重星舰系统的未来应用前景广泛，包括服务于“阿尔忒弥斯”计划，助力美国载人深空探索活动。加快“二代星链”的部署。打造全球一小时“点对点”运输系统，支撑物资/人员快速投送。发射大型空间设施及载荷，大幅拓展空间探索和空间利用水平等。

7 结束语

重复使用是运载火箭/飞行器未来发展的大趋势和方向，要实现高的重复使用率和发射频率，也是个体系化的工程，离不开紧密耦合的3方面因素：一是庞大发射任务的需求牵引，二是运载火箭/飞行器自身要具备的快速多次复用能力(包括复用部分和非复用部分)，三是与之相匹配的发射、回收等支持系统的保障能力。猎鹰9号火箭之所以能够实现较高的重复使用率和发射频率，与同时满足这3方面因素要求是分不开的。

对重复使用的相关分析评估，应该注意区分能力指标和综合结果指标的差异性。

猎鹰9号火箭能够和已经实现了一级箭体和整流罩的多次复用，技术上得益于Merlin发动机和重复使用设计，在复用策略上，面对多样化发射服务需求可谓“精打细算”。

猎鹰9号火箭已经实现的多次重复使用对航天发展来说是一项重大进步，但仍属于部分重复使用的系统。Space X公司正在研制的完全重复使用的超重星舰将是未来投入的方向和重点。