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創造奇跡的“獵鷹重型”火箭

發布日期:2019年05月15日字體: 【大】【中】【小】

龐之浩

  2019年4月12日,美國太空探索技術公司的“獵鷹重型”圓滿完成了首次商業發射。它不僅把發射質量達6.46噸的阿拉伯-6A通信衛星送入了太空,而且第一次實現了同時回收該火箭的芯一級和所捆綁的兩枚助推器,上演了一場激動人心的神奇大戲,挽回了在2018年“獵鷹重型”首次試飛時只成功回收了兩枚助推器,而芯一級回收失敗的面子。
  
  不過,還是有一些遺憾:一是“史蒂文先生”整流罩回收船仍沒有成功回收價值600萬美元的整流罩,落在海里的整流罩需要從撈起晾干、修理后才能再次使用。回收整流罩主要是可以減少生產整流罩的時間,省錢倒是其次;二是其芯一級在海上平臺成功著陸后,因海浪太大,且沒固定好而傾倒,據悉只有其上的發動機經修理后才能再次使用。


“獵鷹重型”火箭升空

  了不起的大力士

  “獵鷹重型”火箭是從肯尼迪航天中心發射的。它全長70米,最大直徑12.2米,起飛質量1420噸,每次重復使用第一級火箭的發射價格為9000萬美元,一次性使用第一級火箭的發射價格為1.5億美元,研發成本5億多美元。相比之下,美國近地軌道運載能力近30噸的德爾他-4H火箭發射成本高達3.36億美元。所以,采用兩級半構型的“獵鷹重型”是目前世界現役運載火箭中運載能力最大、史上最經濟的“通天塔”。

  簡單地說,“獵鷹重型”就是在美國太空探索技術公司目前已大量成功發射的獵鷹-9火箭基礎上,在芯一級捆綁了兩枚大型助推器,而這兩枚大型助推器其實就是與芯一級一模一樣的火箭,即“獵鷹重型”的第一級是由3枚相同的火箭并聯而成的,每枚上面裝有9臺發動機,發射時共有27臺發動機同時點火。所以,“獵鷹重型”既力大無比,又經濟實惠。


水平組裝“獵鷹重型”火箭,其右面還放著一枚以前回收的獵鷹-9芯一級

  在這次發射中,“獵鷹重型”火箭的芯一級在較遠、且已使用多次的海上平臺(名為“當然我依然愛你”)成功回收,兩枚助推器則在發射臺附近的LZ-1和LZ-2著陸區成功回收。這次回收的兩枚助推器維修后,將在2019年再次發射“獵鷹重鷹”時重復使用,完成價值1.3億美元的美國空軍空間試驗計劃-2發射任務。此后,“獵鷹重型”火箭還將執行幾次商業發射任務,并在2020年發射美國空軍航天司令部-52秘密衛星等。

  與已經使用過的美國土星-5和前蘇聯能源號重型火箭相比,稱“獵鷹重型”為準重型火箭更為貼切,因為美國土星五號和前蘇聯能源號的近地軌道運載能力都在100噸左右,但它們都已退役,主要是沒有載人登月飛船或航天飛機等超大型航天器的發射任務后,“英雄無用武之地”。


美國土星五號重型火箭發射阿波羅十一載人登月飛船


前蘇聯能源號重型運載火箭發射暴風雪號航天飛機示意圖


  與一般的運載火箭的結構強度富余度只有25%相比,“獵鷹重型”的結構強度有40%的富余,所以它擁有發射載人登月飛船或載人火星飛船的能力。尤其是該火箭的第一級(由芯一級和兩枚助推器組成)可回收再利用,這樣就能大大降低成本,為載人深空探測提供物美價廉的進入太空的能力。在冷戰時期,美國發射“阿波羅”載人登月飛船用的土星5號重型火箭每一枚造價高達5億美元,折合到現在相當于40億美元。

  為了重返月球和載人登火星,美國航空航天局已投資讓波音公司研制“航天發射系統”重型運載火箭,但它仍是一次性使用的,且一直拖延進度。所以,美國政府最近威脅稱,如果波音公司再遲遲研制不出來“航天發射系統”,美國政府將用太空探索技術公司的商業重型火箭發射“獵戶座”新型載人飛船進行首次無人繞月飛行。另外,美國藍源公司也正在研制名為“新格倫”的可重復使用重型火箭。


美國“航天發射系統”重型運載火箭


“新格倫”可重復使用重型火箭

  便宜是最大特點

  雖然“獵鷹重型”是在獵鷹-9的基礎上發展而來的,第一級是由3枚獵鷹-9火箭第一級捆綁而成,但這次發射所用的芯一級和兩枚助推器都采用了太空探索技術公司新研制的獵鷹-9 B5型火箭(箭體是新的,部分發動機以及助推器頭錐是復用的)。它們每個直徑都為3.7米,各裝了9臺梅林-1D發動機,推進劑都采用液氧/煤油,并聯后的最大寬度為12.2米。

  其第二級與獵鷹-9的第二級一樣,裝有1臺梅林-真空發動機,也采用液氧/煤油作為推進劑,且與梅林-1D發動機類似,真空推力為95噸,但具備多次點火能力,從而大大增強了其對于任務的適應能力。

  “獵鷹重型”的最大特點是其芯一級和兩個助推器能夠回收與重復使用,即全箭共28臺發動機,除第二級使用的1臺梅林-真空發動機不能回收與重復使用外,其余27臺梅林-1D發動機都可以回收與復用,復用的比例高達96.42%,這能大大降低火箭的發射成本,具有重大的里程碑意義。


在陸地回收兩枚助推器

  如果不回收第一級和兩枚助推器時,“獵鷹重型”的近地軌道運載能力為63.8噸(相當于一架波音737客機重量),地球同步轉移軌道運載能力為26.7噸(相當于一輛T-34坦克重量),發至火星的載荷能力16.8噸(相當于一輛滿載的油罐車重量),發至木星的載荷能力3.5噸。因此它不僅能把超大型衛星送入軌道,還具有執行載人登月或載人火星飛行的潛力。

  但如果回收第一級和兩個助推器時,“獵鷹重型”的近地軌道運載能力降為30噸,地球同步轉移軌道運載能力降為8噸。這是由于回收時要消耗很多燃料,但即使這樣,它仍是目前世界現役火箭中運載能力最大的,可用于發射大型航天器。

  由于芯一級和兩個助推器都采用了新研制的獵鷹-9 B5型火箭(采用B5型火箭要比2018年首次試射“獵鷹重型”時采用B4型、B3型火箭更強勁,最大推力相當于18架波音747客機全功率推進力, 而且能夠重復使用10次以上),所以這次發射的“獵鷹重型”總推力比2018年“獵鷹重型”首飛時提升了10%,總的起飛推力為2550噸(2018年首次發射時為2326噸)。


在海上平臺回收芯一級

  可能有人會問,為何發射重6噸的衛星要使用這種準重型運載火箭呢?可能是衛星擁有者——沙特阿拉伯衛星通信公司想通過“用宰牛刀殺雞”來擴大影響;另外,該火箭性價比高,在同類火箭中是最便宜的;還有,用“獵鷹重型”超強的運力把阿拉伯星-6A送到高得多的軌道,可縮短定點所需時間,并節省燃料,從而有望讓衛星工作壽命得到延長。這次也是“獵鷹”系列火箭首次把衛星送至更高的超同步轉移軌道,有可能受到軍方青睞。


“史蒂文先生”整流罩回收船

  克服重重困難

  在冷戰時期,前蘇聯為了與美國競爭載人登月,研制了重型運載火箭N1,但是連續4次發射失敗,其中一個重要原因是其第一級共有30臺發動機同時點火,產生的巨大高頻震動,容易影響到火箭本身;另外,由于發動機太多,所以也容易出現“縱向耦合振動”等一系列問題。


重型運載火箭N1轉場

  “獵鷹重型”第一級發動機也不少,共有27臺,不過它們與N1火箭的不同之處是平均裝在芯一級和兩個助推器3個火箭上,所以發射時最大的風險是兩枚助推器和芯級之間的相互作用,尤其是可能產生的共振或沖擊波沖擊的影響。

  為了使助推器與芯一級可靠連接,在助推器上分別加裝了鼻錐和前、后安裝點及冷分離機構,即在芯一級貯箱底部和頂部同芯一級火箭連接和分離。為了承受發射的額外應力,重新設計了芯一級的結構,增加了它的強度。


“獵鷹重型”火箭第一級并聯結構特寫

  在2018年首次試射“獵鷹重型”時,由于沒進行過實際發射的試驗,只進行過仿真分析,所以當時芯級與助推器分離存在較大風險,但實際結果比較順利。然而,一次成功不代表成熟,所以在這次發射前還是有些擔心,不過仍沒有出現問題,這再次表明其分離所采用的設計是比較可靠的。

  “獵鷹重型”兩次發射都獲得成功證明了該火箭的第一級27臺發動機并聯的思路是可行的和可靠的。


“獵鷹重型”第一級并聯著27臺發動機

  另外,在發射“獵鷹重型”時,要回收芯一級和兩枚助推器。兩枚重達30多噸、箭高55米的助推器在完成工作后與芯一級分離,在火箭發射了7分51秒后飛回位于卡納維拉爾角的著陸區著陸,又一次成功上演了雙箭齊落的科幻場面。

  但是其芯一級在剛升空時需適當節流,即要把推力調低,在火箭發射后2分38秒與助推器分離后(此時火箭速度約5890千米/小時)才能重新調回到滿推力水平進行全速飛行,因此它比獵鷹-9的第一級要多飛行1分鐘才與第二級分離,在發射后9分48秒飛到大西洋上距離發射場約967千米的海上平臺回收。這次回收也創下了在距離發射場最遠的海上平臺著陸,通常只有300~500千米。這是由芯一級飛行距離決定的,它飛得越遠,海上平臺離岸也越遠。


“獵鷹重型”三枚火箭回收路線圖

  這時由于芯一級的飛行高度與速度(10700千米/小時)均很高,所以比回收獵鷹-9的第一級和“獵鷹重型”的助推器都要難。在“獵鷹重型”2018年首次試射時,其助推器成功在陸上回收,但芯一級在海上回收失敗。而在這次“獵鷹重型”發射過程中,芯一級和兩個助推器分別在海上和陸上均回收成功。

  “獵鷹重型”的下一次發射是在今年6月,執行美國空軍空間試驗計劃-2任務,“一箭23星”,把它們部署在三個獨立軌上道,總任務超過6小時,被譽為太空探索技術公司史上最具挑戰性的四次發射之一。因為要重復使用這次回收的助推器,所以它將是首枚正式復用型“獵鷹重型”。

  “獵鷹重型”火箭未來主要的應用市場是發射大型國家安全載荷(可將載荷直接送入地球同步軌道)、載人登月飛船和行星資源開發及大型科學載荷等。

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