商业航天的经典之作猎鹰9号火箭开启了人类

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#宇宙生活指南#美国太空探索技术公司（SpaceX）利用“猎鹰”-9V1.1运载火箭多次在卡纳维拉尔角成功发射“龙”式货运飞船，“猎鹰”-9V1.1运载火箭在外观上与此前的“猎鹰”-9版本存在不同之处，最为典型的就是增加的可收放的着陆支架，起飞时着陆支架贴着火箭第一级发动机外壁上，进入降落持续后开始展开。根据“猎鹰”-9V1.1的标准降落程序，第一级发动机“隼”-1D液氧煤油发动机关机后开始级间分离，在此后的3分钟左右时间内重新启动发动机，第一次启动“隼”-1D后溅落的第一级发动机开始减速，关键目的在于初始段引导到向位于卡纳维拉尔角以东数百公里半径内的海面，当第二次重启后将控制第一级发动机的滚转速率，使其停止滚转并控制好溅落姿态，使箭体与海面保持相对垂直。图注：“猎鹰”-9V1.1运载火箭使用了全新的可收放着陆支架图注：“蚱蜢”火箭验证第一级发动机垂直降落可重复使用运载火箭需要有优异的发动机“猎鹰”-9V1.1运载火箭在本次发射任务表现出较好的状态，尤其是着陆支架在起飞过程中并没有影响火箭的姿态，在第一级返回溅落过程中“隼”-1D发动机的稳定性极佳，实现了两次重启，同时还完成了对第一级下落姿态的控制。“猎鹰”-9V1.1比此前的基础型号长度更长，而且有效载荷能力也有较大的提升，但任务模式与此前是一致的，都是为国际空间站运送货物，发射工位也都在位于佛罗里达州的卡纳维拉尔角基地，“猎鹰”-9V1.1的第一级为“隼”-1D发动机，其动力构成与太空探索技术公司测试的“蚱蜢”火箭一样，但与标准型的“猎鹰”-9有区别，后者使用了“隼”-1C发动机。“隼”-1D发动机的垂直返回技术已经在“蚱蜢”火箭上进行了测试。年9月，SpaceX公司在得克萨斯州的试验场进行了“蚱蜢”火箭的首次试飞，高度达到1.8米，悬空时间为3秒左右，验证了火箭垂直起降达的可能性，首秀表演非常成功。到了年11月，“蚱蜢”火箭飞行高度达到了5,4米，悬空时间为8秒左右，本次试飞进一步验证了垂直降落火箭的关键技术，比如使用多大的支撑结构可以保持火箭的垂直着陆时具有更高的稳定性，大型支撑架在起飞时可以折叠起来贴在火箭周围，发动机部分则涉及到节流功能和推力矢量控制问题，在垂直降落的过程中可以需要保持火箭的稳定性。一个月后，“蚱蜢”火箭进行了本年度的最后一次测试，飞行高度达到40米左右，历时接近30秒。图注：“蚱蜢”火箭在垂直降落的过程中可以需要保持火箭的稳定性图注：“蚱蜢”火箭显示出极强的状态控制能力“蚱蜢”火箭在垂直起降测试表现优异在年3月份的测试中“蚱蜢”火箭达到了80.1米的高度上，并悬停了34秒，再次验证了出色的状态控制能力和推力矢量技术。火箭的垂直降落过程中无法避免横风的干扰，“蚱蜢”火箭在4月份的测试也遇到了比较强的横风干扰，从火焰的方向和角度等信息可以看出横风还不小，分析高度达到米左右，在第六次和第七次试飞中，“蚱蜢”火箭在高度上不断刷新记录，并在8月份的测试中进行了横向米的飞行测试，显示出极强的状态控制能力。年10月份进行的测试中，“蚱蜢”火箭达到米的高度，地点位于德克萨斯州麦格雷戈的火箭测试基地。这几次测试中都验证了“隼”-1D发动机的可靠性，尤其是在垂直降落上有些良好的可控效果，该发动机除了应用到“猎鹰”-9V1.1运载火箭，还将在“重型猎鹰”上使用，这款超级火箭将使用27台“隼”-1D发动机，可将超过50吨的有效载荷送入近地轨道，运载能力遥遥领先其他火箭，加上太空探索技术公司在成本控制能力上的优秀表现，未来商业航天发射市场将面临一次新的冲击。图注：“猎鹰”-9V1.1运载火箭“猎鹰”-9V1.1运载火箭在本次发射前也做足了功课，太空探索技术公司在德克萨斯州的测试场使用“猎鹰”-9RDev1进行垂直起降测试，飞行高度在米左右，同时进行了横向飞行测试与对抗横风的飞行策略，从这些信息中可以看出，该公司在运载火箭的垂直降落上有着不错的技术积累。在海上垂直降落测试后，“猎鹰”-9V1.1运载火箭还将进行陆基发射场的垂直降落测试，显然在“猎鹰”系列火箭的发展框架中，受控状态下的垂直降落是一项必备的技术，并对未来运载火箭的研发起到一定的冲击作用。运载火箭技术向可重复使用发展从年发射第一颗人造卫星开始，运载火箭技术一直在不断发展之中，美、苏、欧洲、中国、日本还有印度、巴西等国都有着较强的运载火箭技术，成系列的运载火箭不完全统计至少有20几种以上，还有配套的上面级等，不同的上面级也可以衍生出不同的运载能力的火箭。事实上，运载火箭技术与弹道导弹技术是相通的，而且多以弹道导弹技术改进而来，美国“德尔塔”系列、“宇宙神”系列还有苏俄时代的联盟系列、天顶等都是来自弹道导弹的技术，咱们东风五型、东风四型弹道导弹就有近地轨道运载能力，通过对火箭的纵向改进，比如增加级数，或者更换推力更大的发动机，亦或横向增加捆绑式助推器等都可以达到提升运载能力的目的。美国的“德尔塔”系列和欧洲的“阿丽亚娜”系列、还有俄罗斯的“联盟”系列都是非常成功的运载火箭，但是它们都不是真正意义上的可重复使用运载火箭，作为一次性使用的运载火箭，发动机在完成燃烧后就丢弃，如果发射场修建在海岛上或者临海布设，就可以避免助推器等部件落到地面上砸到民房，比如圭亚那航天发射场，肯尼迪航天发射中心等，而我国的西昌卫星发射中心在内陆地区，向东发射火箭必然会出现火箭助推器等部件砸到地面的情况，要避免助推器砸到民房，就有两个方法，一个是把发射场搬迁到临海位置，二是研制可重复使用的运载火箭。图注：美国的“德尔塔”系列等算是较为成功的运载火箭，但无法可重复使用可重复使用的火箭有几个途径实现，一个是发动机可以重复使用，另一个是火箭是否可以可重复使用，早期的可重复使用火箭的突破重点放在发动机的重复使用上，比如美国和俄罗斯在很早就可以研究火箭系统的可重复使用，试图发展出低成本的运载火箭，其中火箭的动力装置能否多次使用是个关键。能源号火箭的主发动机RD-就作为可重复使用的发动机平台进行研究，并在能源号火箭上进行了测试，虽然能源号火箭在研制时并没有考虑到重复使用的性能，这是因为对发动机的多次使用研制在经费上不划算，研制费用和生产费用加起来还不如造多台一次性使用的发动机，把已经发射的火箭发动机回收再循环涉及到回收系统和地面重整化过程，如果可重复使用建立在大量人员和设备的投入上，那么这样的可重复使用确实不如一次性使用。图注：能源号火箭火箭系统的可重复使用强调的是回收系统尽量减少占火箭发射时的死重，回收后通过较少的设备和人员，使用一些简单的处理就能实现再次发射，这对火箭分系统以及发动机的部件设计构成提出了新的要求，减少维修次数的同时提高成功率，通过自动检测保持较好的工作状态。发动机的耐用性涉及到对主涡轮泵中的涡轮叶片裂纹数量，还有推力室和附加阀门、管道的设计，此外发动机的结构寿命也是重复使用的难点之一，其涉及到热循环程度和低周疲劳等，成熟的可重复使用发动机的使用寿命可以达到次以上，定期维护的次数还要减少，大修的周期也要延长，那么其中就要更多地使用到计算机进行健康管理。图注：“猎鹰”-9与“重型猎鹰”等对比图图注：固体推进器的回收方案早期火箭助推器使用降落伞回收美国也很早就开始使用可重复使用技术，航天飞机的固体助推器（SRB）就可以回收使用，其回收系统比较简单，通过标准螺栓起爆分离，然后拉出引导伞，接着打开主降落伞，最后落到海面上，这就是为什么我们经常看到航天飞机发射后都有助推部分的东西落到海上。马歇尔航天飞行中心也进行过可重复使用火箭发动机的研制，比如在RS-84的基础上研制可重复使用火箭。图注：NK-33发动机从早期可重复使用火箭动力的回收方式上看，降落伞是一种途径，还有降落伞加缓冲气囊的方式，比如K-1火箭，第一级为NK-33发动机，近地轨道载荷为4.5吨，第一级在40公里左右的高度上分离后启动降落伞回收系统，着陆时通过缓冲气囊降低冲击力。年展出的法俄联合研制可重复使用助推器助推级使用了RD发动机，也是第一级重复使用。近几年的可重复使用运载火箭主要有“战神”系列火箭第一级和SpaceX太空探索技术公司研制的“猎鹰”系列运载火箭，当然后者的影响力会更大一些，作为一家私营企业在短时间内通过“隼”-1D发动机技术取到了重型运载火箭的研制成果，其借助了成熟而推力强大的发动机技术，也得到NASA的不少帮助，比如火箭外壳上的隔热层会经常脱落，需要一种粘性材料才能保证隔热层防脱，这对火箭的可重复性极为重要，没有隔热层第一级返回时必然无法使用。图注：“隼”-1D发动机则源于阿波罗计划登月舱发动机，海平面推力千牛，大约为55吨，真空推力达到千牛，9台并联后可将10吨有效载荷送入近地轨道。“猎鹰”系列运载火箭系统涉及到的一些技术都非常成熟，还有铝锂合金、搅拌摩擦悍等都可以拿来就用，在这些成熟的技术积累下，SpaceX太空探索技术公司在可重复使用运载火箭上发展较快，其主要通过“蚱蜢”火箭来验证第一级火箭的可重复使用性能。猎鹰9号火箭为垂直降落回收显然“蚱蜢”火箭的回收方式比较特别，不是通过降落伞和缓冲气囊实现降落，而是使用反推装置实现可重复使用，可以垂直发射和垂直降落，在“蚱蜢”火箭的周围安装了四个着陆支撑腿，目前的支撑结构是无法折叠的，但是在成熟后可以实现“贴壁”式的状态。在自动回收系统成熟后，SpaceX太空探索技术公司将把该技术运用到猎鹰9号火箭上，目前猎鹰9号火箭有两种不同的载荷方式，一个是对接龙式飞船，前期执行无人状态的货运任务，后续可把龙式飞船改造成载人飞船，恢复美国本土的载人运载能力，还有一个是使用5.2米直径的整流罩，用于发射商业卫星等载荷，根据目前SpaceX太空探索技术公司的官方报价，5.2米直径整流罩的“猎鹰”-9火箭发射单价为万美元左右，如果使用了可重复的技术，单价还有可能进一步降低。猎鹰9号火箭的第一级和第二级都被设计成可重复使用，第一级返回比较简单，类似目前的“蚱蜢”火箭，级间分离后自动返回发射场附近，第二级可以再入垂直降落到发射场附近，后续的猎鹰重型改进型推力更大，通过捆绑液体助推器实现更大的近地轨道运载。事实上，美国国家航空航天局和麦道公司等研制的“三角快帆试验机”已经验证过以火箭发动机作为回收主要动力的可行性，当时涉及到的计划为单级入轨火箭技术，是一种垂直起降的重复使用发射平台，最大飞行高度超过了米，比目前“蚱蜢”火箭抵达的高度要高许多，而且单级火箭系统的垂直起降技术在容错飞控、多次启动关机等方面有着较强的技术要求。图注：“隼”-1D发动机为单轴双叶轮涡轮泵推进，矢量控制上有着较高的成熟度运载火箭的可重复使用性主要依靠发动机的性能，“隼”-1D发动机为单轴双叶轮涡轮泵推进，矢量控制上有着较高的成熟度，热导系数和蠕变强度的提高是可重复使用火箭的重要基础，如果是多级运载火箭，第一级和第二级分离，以及第二级分离后如何降落是能否成功返回的决定性因素，从“蚱蜢”火箭的测试上看，其状态调整的过去的几次测试中一直是关键点，横风干扰下的姿控对发动机要求较高，如果是第二级再入返回，可能要进行多次点火调整姿态和航向，基于目前的三倍冗余飞控与惯导技术还需要进一步改进，毕竟目前的再入制导依然为航天飞机的分段制导策略。第二级再入过程中较为重要还有隔热系统，在这方面太空探索技术公司显然得到了美国国家航空航天局的帮助，在隔热系统与箭体的粘合材料上可以节省很多时间和人力。可重复使用的运载火箭系统将是一个过渡型的平台，在单级和两级入轨平台没有成熟之前，可重复使用的火箭可以在一定程度上降低发射费用，我国的长征三号乙火箭发射单价在万美元左右，“猎鹰”9号的费用要少0万美元，这个价格比现役的几种同级的运载火箭要便宜很多，H2火箭和阿丽亚娜5型火箭的商业发射价格至少上亿美元，相比之下猎鹰重型的万美元发射价格的确便宜很多，这对全球商业火箭发射市场而言是个巨大的冲击。图注：埃隆·马克斯计划使用垂直降落技术登陆其他天体从空天一体运载平台的发展来看，可重复使用运载平台的发展方向应该是向单级和两级入轨方向前进，向轨道发射载荷不需要复杂的准备工作，从普通的机场就能起飞，第一级和第二级分离后返回地面，实现真正意义上的可重复使用，当然这样的标准需要涉及到的技术就困难多了，但动力系统依然是最为关键的主导因素，没有成熟的高超音速动力是绝对无法实现的，尤其为我国而言，发动机系统是传统的弱项，即便正在测试的长征五号火箭配套动力吨级的YF-液氧煤油发动机与“德尔塔”IV使用的RS-68氢氧机相比依然有不小的差距，因此在火箭发动机的可重复使用领域，我国的运载火箭技术与西方的差距较大，特别是在火箭发动机领域。未来10年内，太空探索技术公司将主推“猎鹰”系列火箭，根据艾隆·马克斯的计划，“猎鹰”-9负责发射载人版的“龙”式飞船，同时以“重型猎鹰”为基础打造轨道基地，其目标是在地球之外建立长期有人照料的定居点，并大幅度降低航天发射的费用。到目前为止，“猎鹰”-9表现良好，并展现出取代欧洲“阿丽亚娜”火箭的趋势，并威慑到联合发射联盟的“宇宙神”-5与“德尔它”-4运载火箭。因此猎鹰9号打通并不仅仅是火箭领域，而是打开了行星际移民的大门。

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