2011年4月5日，美國私營航天公司：太空探索公司Space X首席執(zhí)行官馬斯克宣布，他們正在研制一種自人類登月以來最強(qiáng)大的火箭，即：獵鷹重型火箭。當(dāng)時(shí)馬斯克還公布了獵鷹重型火箭的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及性能數(shù)據(jù)。如今獵鷹重型火箭早已取得成功，并且一舉成為美國土星-5火箭退役后，世界上最大的運(yùn)載火箭。由于具有可回收重復(fù)發(fā)射使用的特性，獵鷹重型火箭還有著較低的發(fā)射費(fèi)用。直接引領(lǐng)世界，開啟了火箭重復(fù)使用的航天新紀(jì)元。今天我們就來聊一聊獵鷹重型火箭。
獵鷹重型火箭
二、獵鷹重型火箭的基本參數(shù)獵鷹重型火箭其實(shí)是在之前的獵鷹9號(hào)發(fā)展過來的，獵鷹重型火箭使用的發(fā)動(dòng)機(jī)與之前的獵鷹9號(hào)是一樣的，在結(jié)構(gòu)材料等各方面也比較相同。一級(jí)使用的是3個(gè)芯級(jí)并聯(lián)組成，也就是說，一共有27個(gè)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，每一個(gè)芯級(jí)都可以完全等同于獵鷹9號(hào)的一級(jí)水平，每一個(gè)芯級(jí)，都可以進(jìn)行重復(fù)回收使用。獵鷹9號(hào)已經(jīng)是SpaceX公司一個(gè)相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上，獵鷹重型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重大突破，無論在外觀還是整個(gè)性能方面，都擁有世界級(jí)的領(lǐng)先地位。
獵鷹九號(hào)火箭
獵鷹重型火箭，相當(dāng)于三個(gè)獵鷹九號(hào)
整個(gè)火箭的高度將近70米，70米是什么樣的概念？大約能夠達(dá)到20層樓那么高，而其寬度則達(dá)到了12.2米，在起飛重量可以達(dá)到1420噸，標(biāo)稱近地軌道運(yùn)力則達(dá)到了63.8噸，從某種程度來說，它幾乎等同于一架滿載著乘客的波音737飛機(jī)。它是全球第一個(gè)可以進(jìn)行重復(fù)使用的重型運(yùn)載火箭，開辟了全球火箭的先河。獵鷹重型火箭發(fā)射之后，3枚一級(jí)火箭全部進(jìn)行回收，其中有兩枚將會(huì)在肯尼迪的航天中心進(jìn)行同步的降落，而第三枚芯一級(jí)火箭，則會(huì)降落在海上，SpaceX公司將會(huì)在海上完成回收。
獵鷹重型火箭助推器分離
三、獵鷹重型火箭的技術(shù)特點(diǎn)獵鷹重型運(yùn)載火箭使用了大量先進(jìn)的航天材料以及航天技術(shù)，比如"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、"交叉運(yùn)輸"技術(shù)、結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)等。此外，還有一個(gè)最重要的，就是火箭的重復(fù)利用技術(shù)，這是整個(gè)美國運(yùn)載火箭的重大突破，也是整個(gè)全球火箭行業(yè)當(dāng)中的重大突破。
1、全面使用"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)
首先，我們來說一下"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。獵鷹重型是第一個(gè)使用該技術(shù)的火箭，而且其質(zhì)量已經(jīng)完全降到了讓人震驚的程度，為什么這樣說？是因?yàn)槠渲破鞯馁|(zhì)量比已經(jīng)完全超過了30，而德爾他-4的注明運(yùn)載火箭的質(zhì)量比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于它，僅僅為10左右。因此，火箭雖然整體全部都使用了低比沖液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，但是運(yùn)載系數(shù)方面，卻比德爾他-4的重型運(yùn)載火箭要優(yōu)秀很多。
2、推進(jìn)劑"交叉運(yùn)輸"技術(shù)
推進(jìn)劑"交叉運(yùn)輸"技術(shù)也是美國首次在該火箭當(dāng)中使用，在它的加持下，可以實(shí)現(xiàn)火箭助推器以及芯級(jí)之間實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的對流，然后讓其可以保證助推器在分立的時(shí)候，芯級(jí)仍然可以擁有最多的推進(jìn)劑，讓它能夠輕松實(shí)現(xiàn)三級(jí)火箭的性能。在發(fā)射比較輕的載荷的時(shí)候，可以完全關(guān)閉這個(gè)技術(shù)，這樣，整個(gè)火箭的運(yùn)輸能力雖然有一些下降，不過，復(fù)雜性卻明顯減少了，因此，這也就有效降低了事故的發(fā)生概率。在保障安全性能的同時(shí)，還能夠讓運(yùn)載火箭技術(shù)的各方面發(fā)展達(dá)到有效的控制，這也不得不讓所有的行業(yè)公司都為之驚嘆。
3、構(gòu)冗余設(shè)計(jì)
獵鷹重型火箭的可靠性非常高，其設(shè)計(jì)留有40％的結(jié)構(gòu)冗余，而普通運(yùn)載火箭僅有25％?；鸺谝患?jí)采用27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具備在單臺(tái)或多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，仍可順利完成發(fā)射任務(wù)的獨(dú)特能力。此外，火箭還裝備了三重冗余的航天電子設(shè)備和雙重啟動(dòng)的級(jí)間分離螺栓。這些設(shè)計(jì)使得。獵鷹重型成為一種極為安全可靠的運(yùn)載火箭，同時(shí)也完全符合美國航空航天局的載人航天標(biāo)準(zhǔn)。
4、火箭回收技術(shù)
我在之前的與火箭的回收方式相關(guān)的三篇文章介紹過，實(shí)際上自從火箭的誕生以來，工程師們就一直在尋找火箭回收重復(fù)使用的辦法。早期的試驗(yàn)主要是以傘降回收方式為主，后來美國在航天飛機(jī)項(xiàng)目中，使用傘降回收方式成功回收并重復(fù)使用了兩個(gè)助推器。這成為火箭重復(fù)使用的一大進(jìn)步。不過美國的航天飛機(jī)由于維護(hù)成本太高，盡管實(shí)現(xiàn)了助推器與軌道器的重復(fù)使用，也還是沒有把成本降下來。這也是后來導(dǎo)致其早早退役的一個(gè)主要原因。
早期進(jìn)行的傘降回收試驗(yàn)
獵鷹火箭采用的是垂直返回式回收，回收精度更高，但是技術(shù)也更為復(fù)雜
馬斯克的獵鷹火箭采用的是垂直回收方式，這種方式好在能夠精準(zhǔn)的著陸。但是對技術(shù)的要求也要比傘降式高得多。越是細(xì)長的物體越是難以控制其姿態(tài)。獵鷹9號(hào)火箭的可回收的第一級(jí)高度超過了14層樓，而重量則達(dá)到了10噸，最大的速度可以達(dá)到1500米/秒，降落回收的區(qū)域則是僅僅為幾十米寬的樣子，而獵鷹重型則相當(dāng)于3個(gè)獵鷹9號(hào)在同時(shí)進(jìn)行回收，無論是火箭的姿態(tài)控制，還是各種協(xié)調(diào)控制、落點(diǎn)精度控制等都是十分復(fù)雜的。
5、火箭重復(fù)使用的成本控制
在火箭回收后，能否通過簡單的維護(hù)就投入下一次的發(fā)射使用也直接影響到火箭的發(fā)射成本問題。如果火箭的發(fā)射成本降不下來，那火箭的回收遲早會(huì)步入美國航天飛機(jī)的后塵，也就沒有多大的現(xiàn)實(shí)意義。不過獵鷹重型火箭通過重復(fù)使用實(shí)現(xiàn)了大幅度降低發(fā)射成本的目標(biāo)。
就發(fā)射成本來說，美國空軍2012財(cái)年的發(fā)射預(yù)算為17.4億美元，其中每次發(fā)射費(fèi)用平均為4.35億美元，而獵鷹重型火箭平均每次發(fā)射費(fèi)用僅為一億美元左右。從獵鷹重型火箭的身上我們可以看到，重復(fù)使用的可回收火箭在未來的商業(yè)航天活動(dòng)中大有可為。
我們來看一下美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的發(fā)展歷程：2002年成立，2006年就進(jìn)行火箭首飛（不過未能成功），2008年獵鷹1運(yùn)載火箭首次成功發(fā)射，2010年成功實(shí)現(xiàn)獵鷹9中型火箭首飛。2012年，SpaceX公司開始進(jìn)行垂直起降復(fù)用技術(shù)飛行試驗(yàn)，2015年獵鷹9火箭首次完成陸地回收，2016年實(shí)現(xiàn)獵鷹9火箭的海上回收。2017年，SpaceX公司不僅完成了其首次軍事載荷發(fā)射任務(wù)，還首次實(shí)現(xiàn)獵鷹9火箭復(fù)用并且成功完成18次發(fā)射任務(wù)，占美國全年發(fā)射數(shù)量的2/3，一躍成為美國最重要的發(fā)射服務(wù)商。2018年SpaceX實(shí)現(xiàn)了獵鷹重型火箭首飛，完成了同一枚火箭一子級(jí)的三次發(fā)射。開啟了人類探索太空的新篇章。
或許在馬斯克進(jìn)軍航天領(lǐng)域，開展火箭回收重復(fù)使用的時(shí)候沒有多少人看好他的這一行動(dòng)，或許Space X的成功離不開美國航天局的全力支持，但是作為一家民營企業(yè)，能夠引領(lǐng)當(dāng)今時(shí)代運(yùn)載火箭的發(fā)展潮流，用短短的十來年時(shí)間就站在了世界航天技術(shù)的頂峰，這都是史無前例，令人驚嘆和佩服的。
(文/云端風(fēng)火)
