胡冬生 劉楠 張雨佳（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部）

2018年2月6日－2019年6月25日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭先后實現(xiàn)了3次成功飛行，為商業(yè)用戶和美國空軍運送衛(wèi)星載荷，可靠性不斷提升，回收和重復(fù)使用技術(shù)也得到進一步驗證?！矮C鷹重型”火箭的連續(xù)成功發(fā)射， 對世界商業(yè)航天發(fā)射市場格局、重復(fù)使用技術(shù)乃至運載火箭發(fā)展路線，都將產(chǎn)生重要的影響。

1 三次發(fā)射任務(wù)概況

美國東部時間2018年2月6日，美國SpaceX公司在位于卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心LC－39A發(fā)射工位發(fā)射了“獵鷹重型”火箭，將一輛約1.25t的紅色特斯拉跑車送入了飛越火星的雙曲線軌道，成功實現(xiàn)了該型火箭的首飛。首飛所使用的2個助推芯級分別為2016年5月27日泰國通信－8（Thaicom－8）衛(wèi)星任務(wù)和7月18日商業(yè)再補給服務(wù)－9（CRS－9）任務(wù)中回收的獵鷹－9（Falcon－9）火箭一子級，并幾乎同時在相距300m的2個陸上著陸區(qū)實現(xiàn)回收，但中間芯級因發(fā)動機點火劑耗盡而造成著陸點火時2臺外側(cè)發(fā)動機未能起動，海上回收失敗。

美國東部時間2019年4月11日（北京時間2019年4月12日），“獵鷹重型”火箭在LC－39A發(fā)射工位將一顆6.46t的阿拉伯衛(wèi)星－6A（Arabsat－6A）送入遠地點高度為89808km的超地球同步轉(zhuǎn)移軌道，此次發(fā)射也是該型火箭的首次商業(yè)發(fā)射。同時，火箭2個助推芯級和中間芯級也分別在2個陸上著陸場和距發(fā)射場1000km的海上平臺成功回收，這也是中間芯級首次成功回收（隨后中間芯級由于海況惡劣未能及時固定在甲板上，造成傾倒并斷裂）。

“獵鷹重型”火箭首飛任務(wù)中2個助推芯級落地回收瞬

Arabsat－6A任務(wù)中回收的中間芯級

美國東部時間2019年6月25日，“獵鷹重型”火箭在LC－39A發(fā)射工位成功執(zhí)行了空間試驗計劃－2（STP－2）發(fā)射任務(wù)，將24顆衛(wèi)星分別送入了3個不同的近地軌道，這也是該型火箭首次為美國空軍服務(wù)。此次發(fā)射使用的2個助推芯級為4月Arabsat－6A任務(wù)所回收，并再次在陸上成功回收，且回收船首次成功接住整流罩，但中間芯級海上回收失敗。

“獵鷹重型”火箭的3次飛行涵蓋不同的軌道任務(wù)，衛(wèi)星用戶包括商業(yè)衛(wèi)星公司和美國空軍，且每次任務(wù)都有新的突破，證明了該火箭強大的任務(wù)適應(yīng)能力和較高的可靠性，并日益得到用戶的認可；同時，該火箭在任務(wù)中還驗證了3個芯級、整流罩的回收以及助推芯級的重復(fù)使用能力，未來隨著重復(fù)使用技術(shù)的逐漸成熟，“獵鷹重型”火箭在履約周期和發(fā)射價格方面的優(yōu)勢也將進一步顯現(xiàn)出來。

執(zhí)行STP－2任務(wù)的“獵鷹重型”火箭

2 火箭方案與技術(shù)分析

“獵鷹重型”火箭是在大量繼承獵鷹－9火箭成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的兩級液體重型運載火箭，采用3個通用芯級并聯(lián)加二子級的構(gòu)型，以液氧/煤油為推進劑，起飛時共有27臺發(fā)動機點火。該火箭全長70m，芯級直徑3.66m，起飛質(zhì)量1420.8t，近地軌道最大運載能力達63.8t，已超越目前所有現(xiàn)役火箭。其二級火箭發(fā)動機可多次起動，具備直接將衛(wèi)星送入地球靜止軌道或執(zhí)行“一箭多星”任務(wù)的能力?！矮C鷹重型”火箭主要具有以下幾個技術(shù)特點。

通用化和模塊化設(shè)計

“獵鷹重型”火箭采用了通用芯級研制理念，通過多個芯級并聯(lián)以提升運載能力，避免了大直徑箭體研制和生產(chǎn)所帶來的難題。同時，SpaceX公司提高了“獵鷹重型”火箭與獵鷹－9火箭2個型號的模塊化和通用化程度，“獵鷹重型”火箭直接繼承了獵鷹－9火箭的一子級、二子級和整流罩，真正實現(xiàn)了不同型號之間的產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)化。在動力系統(tǒng)方面，“獵鷹重型”火箭3個芯級均使用灰背隼－1D+（Merlin－1D+）發(fā)動機，二級使用Merlin－1D+真空型發(fā)動機?？梢哉f，SpaceX公司用一個發(fā)動機型號、一個箭體直徑滿足了重型和大型火箭的規(guī)模和能力需求，實現(xiàn)了型號的產(chǎn)品化，提高了生產(chǎn)、測試、試驗等各個環(huán)節(jié)的效率，使得火箭量產(chǎn)成為可能，有利于大幅降低成本，提高火箭發(fā)射頻率。

獵鷹重型”火箭與獵鷹－9火箭構(gòu)型對比

可重復(fù)使用

“獵鷹重型”火箭的3個芯級繼承了獵鷹－9火箭的自主可控回收技術(shù)，回收后經(jīng)過檢測維護可以再次發(fā)射，從整體上大幅提升了重復(fù)使用率。全箭28臺發(fā)動機中有27臺能夠重復(fù)使用，發(fā)動機復(fù)用率達到96%。同時，SpaceX公司還一直在開展“獵鷹”火箭整流罩的回收和重復(fù)使用研究工作?？芍貜?fù)使用技術(shù)進一步成熟后，必將大幅降低火箭發(fā)射費用，縮短衛(wèi)星發(fā)射履約周期。

動力系統(tǒng)冗余

“獵鷹重型”火箭一子級由3個獵鷹－9火箭一子級捆綁組成，共采用27臺Merlin－1D+發(fā)動機。多臺發(fā)動機并聯(lián)設(shè)計有利于實現(xiàn)動力冗余，當(dāng)一臺或多臺發(fā)動機出現(xiàn)故障時，故障發(fā)動機自動關(guān)閉，重新規(guī)劃上升彈道，其他發(fā)動機推力加大、工作時間延長，具備在數(shù)臺發(fā)動機故障的情況下依然完成飛行任務(wù)的可能，從而提高了火箭的可靠性。

推進劑交叉輸送

采用通用芯級構(gòu)型的“獵鷹重型”火箭具有使用推進劑交叉輸送技術(shù)的天然潛力。該技術(shù)可以將火箭助推芯級推進劑輸送給中間芯級發(fā)動機使用，從而盡早拋掉助推芯級的結(jié)構(gòu)干質(zhì)量，可以獲得更大的速度增量，使運載能力提升20%。盡管優(yōu)勢巨大，但交叉輸送仍有大量關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，因而在“獵鷹重型”火箭實際飛行中并未采用，而是一直處于研發(fā)狀態(tài)。

3 意義與影響

對于SpaceX公司而言，成功實現(xiàn)“獵鷹重型”火箭3次飛行具有重要的戰(zhàn)略意義，對于世界航天也將產(chǎn)生重要影響。

推動大型和重型火箭設(shè)計理念革新和發(fā)展

“獵鷹重型”火箭3次發(fā)射成功，證明了通過小推力發(fā)動機冗余并聯(lián)達到重型火箭的所需推力有可能滿足可靠性要求。由于發(fā)動機推力大小的限制，SpaceX公司通過先進的動力冗余技術(shù)以及提高單臺發(fā)動機可靠性，創(chuàng)新性地解決了多發(fā)動機并聯(lián)存在的問題。在箭體設(shè)計方面，“獵鷹重型”直接借用獵鷹－9火箭一子級，通過3個模塊并聯(lián)代替了重型火箭所需的大直徑箭體，為重型火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了另一種思路。

“獵鷹重型”火箭將對未來大型乃至重型運載火箭的設(shè)計思路產(chǎn)生影響，尤其是在大部分航天國家和私營航天公司還未掌握大推力高性能火箭發(fā)動機、大直徑箭體制造技術(shù)的情況下，多臺發(fā)動機并聯(lián)的通用芯級構(gòu)型將是在較短時間內(nèi)實現(xiàn)較大運載能力的現(xiàn)實選擇。

進一步?jīng)_擊世界商業(yè)航天發(fā)射市場

雖然獵鷹－9火箭在近2年的發(fā)射表現(xiàn)搶眼，但其復(fù)用構(gòu)型的地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）極限運載能力為5.5t，對于6t以上級別的大型通信衛(wèi)星則顯得力不從心?！矮C鷹重型”火箭復(fù)用構(gòu)型的GTO極限運載能力為8t，幾乎滿足所有大型通信衛(wèi)星的質(zhì)量要求，較為富裕的運載能力也有望為衛(wèi)星提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，如將衛(wèi)星送入更高的軌道從而延長衛(wèi)星工作壽命，或直接將衛(wèi)星送入地球靜止軌道（GEO）。而其復(fù)用構(gòu)型發(fā)射9000萬美元、一次性構(gòu)型發(fā)射1.5億美元的低廉報價，更將進一步蠶食阿里安－5（Ariane－5）火箭和“質(zhì)子”（Proton）火箭的剩余市場份額，沖擊世界商業(yè)航天發(fā)射市場。

從目前掌握的數(shù)據(jù)來看，“獵鷹重型”火箭的市場份額還很小，主要受制于火箭的可靠性和大型衛(wèi)星的市場占比。隨著“獵鷹重型”火箭可靠性的日益提升，衛(wèi)星研制受火箭運載能力的限制越來越小，可以根據(jù)任務(wù)需求充分考慮載荷配置和任務(wù)周期；尤其是在GEO軌道等軌位有限的情況下，衛(wèi)星有可能朝著大型化平臺的方向發(fā)展。因此，未來在大型商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射領(lǐng)域的市場還有待進一步培育，并有望成為一個新的增長點。

重復(fù)使用火箭日益為衛(wèi)星用戶所接受

運載火箭重復(fù)使用技術(shù)可大幅降低火箭發(fā)射費用，提升火箭發(fā)射頻率，有效縮短衛(wèi)星發(fā)射合同的履約周期。但一開始，SpaceX公司“獵鷹”火箭的重復(fù)使用并不被看好。用戶更加關(guān)注運載能力、可靠性和價格，重復(fù)使用則普遍被認為有可能降低火箭整箭的可靠性。然而，隨著SpaceX公司技術(shù)的不斷成熟，用戶的評價天平開始傾斜，重復(fù)使用帶來的誘人報價和快速履約能力終于在2017年打動了“第一個吃螃蟹的人”-歐洲衛(wèi)星公司－10（SES－10）衛(wèi)星。迄今為止，SpaceX公司已進行了20余次箭體復(fù)用發(fā)射，且都取得了成功，所涉及用戶包括各大商業(yè)衛(wèi)星公司、美國國家航空航天局（NASA）乃至軍方等，說明重復(fù)使用火箭日益為衛(wèi)星用戶所接受，而復(fù)用火箭也逐漸成為SpaceX公司執(zhí)行商業(yè)發(fā)射任務(wù)的“標(biāo)配”。

不可否認的是，目前國際發(fā)射市場上的主流還是一次性運載火箭，這種情況的改觀還需要一段時間的積累。但重復(fù)使用作為運載火箭的未來發(fā)展方向，必將取得長足的發(fā)展，并逐漸在衛(wèi)星用戶的發(fā)射選項中占據(jù)主導(dǎo)。

有望承接深空探索和載人航天任務(wù)

自2011年啟動“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）火箭研制以來，美國對其寄予厚望，NASA每年投入大量的資金予以支持，并制定了深空探測及載人航天發(fā)射等一攬子計劃。但“航天發(fā)射系統(tǒng)”研制進展緩慢，已經(jīng)影響到美國載人登月的既定目標(biāo)。在此背景下，“獵鷹重型”火箭有望承接美國政府的部分深空探索和載人航天任務(wù)。據(jù)悉，NASA已決定使用“獵鷹重型”火箭代替“航天發(fā)射系統(tǒng)”發(fā)射“木衛(wèi)二快帆”（Europa Clipper）探測器，并改用商業(yè)火箭發(fā)射月球軌道平臺“門戶”（Gateway）項目的多個艙段。

“航天發(fā)射系統(tǒng)”飛行示意圖

“獵鷹重型”火箭超強的運載能力為其應(yīng)用帶來了較大的空間，尤其是深空探索和載人航天等大項目下的大型航天器。但需要指出的是，“獵鷹重型”火箭并不能替代“航天發(fā)射系統(tǒng)”，其63.8t的運載能力與“航天發(fā)射系統(tǒng)”的終極構(gòu)型相比還有很大差距，僅能在一定程度上彌補“航天發(fā)射系統(tǒng)”研制拖延所帶來的空缺。

4 思考與建議

美國SpaceX公司結(jié)合自身技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)造性地解決了“獵鷹重型”火箭的研制難題，并成功實現(xiàn)了3次飛行任務(wù)，對世界航天發(fā)展具有重要推動作用。結(jié)合我國運載火箭發(fā)展情況，提出以下幾點思考。

結(jié)合技術(shù)基礎(chǔ)合理制定運載火箭發(fā)展路線，推進運載火箭能力的持續(xù)提升

目前，世界各國正在研制的新一代主流運載火箭多為近地軌道運載能力20噸級，但對于未來的大規(guī)模深空探索和載人航天任務(wù)，則需要有近地軌道運載能力100t以上的重型運載火箭。從20～100t以上，運載能力增長4～5倍，技術(shù)跨度相當(dāng)大，研制難度大、周期長，對一個國家的工業(yè)基礎(chǔ)有相當(dāng)?shù)目简?，可能會在一定程度上拖延擬定的探測計劃。而基于20噸級大型運載火箭的研制基礎(chǔ)，通過發(fā)動機并聯(lián)和通用芯級捆綁技術(shù)，則有望將近地軌道運載能力提升至50～70t，形成大型火箭與重型火箭之間的銜接，從而在重型火箭服役之前承擔(dān)前期的測試和探索工作，不失為一條較為經(jīng)濟和合理的途徑。俄羅斯基于時間及成本的考慮，即提出通過3枚聯(lián)盟－5（Soyuz－5）火箭并聯(lián)捆綁構(gòu)成超大型火箭，來實現(xiàn)初期的載人月球探索任務(wù)。

目前，我國已實現(xiàn)長征－5火箭的成功研制，突破了120t液氧/煤油發(fā)動機、50t液氧/液氫發(fā)動機和5m直徑箭體等關(guān)鍵技術(shù)，具備構(gòu)建近地軌道運載能力50～70t超大型火箭的技術(shù)基礎(chǔ)。通過合理規(guī)劃火箭型譜、制定火箭發(fā)展路線，借助超大型火箭開展前期的探索任務(wù)，同時為重型火箭研制驗證所需的相關(guān)技術(shù)，可以實現(xiàn)我國火箭運載能力的持續(xù)提升，拓展我國運載火箭能力的覆蓋范圍，推進我國載人航天和深空探測事業(yè)的有序、快速發(fā)展。

加速技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，增強我國運載火箭的市場競爭力

SpaceX公司基于商業(yè)運營考慮和自身技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地開創(chuàng)了一條商業(yè)化研制道路，憑借獵鷹－9和“獵鷹重型”火箭極高的性價比獲得了眾多衛(wèi)星用戶的青睞，在短短幾年內(nèi)力壓阿里安－5火箭和“質(zhì)子”火箭成為商業(yè)發(fā)射主力。而同時，其他火箭廠商也不甘寂寞，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）、俄羅斯、歐洲航天局（ESA）、日本等都在積極研發(fā)新一代大中型運載火箭，研制目標(biāo)均主要放在采取措施降低發(fā)射價格上，以應(yīng)對SpaceX公司帶來的沖擊，提高市場競爭力?？梢?，未來國際商業(yè)發(fā)射市場的競爭將會越來越激烈，在各國運載火箭性能逐步提升的情況下，發(fā)射價格日益成為衛(wèi)星用戶選用運載工具的首要因素。

我國“長征”火箭已走過50余年的發(fā)展歷程，并在國際發(fā)射市場上以較低的價格獲得了一定的市場占有率。目前，我國正在推進新一代運載火箭系列的研制工作，并成功進行了長征－5、長征－7、長征－6等火箭的數(shù)次飛行，但尚不足以應(yīng)對國際商業(yè)發(fā)射市場的競爭態(tài)勢。瞄準(zhǔn)未來，應(yīng)革新研制思路，以用戶需求為出發(fā)點，加強原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，加速技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，在完善新一代“長征”火箭的性能、增強可靠性的同時，切實降低火箭發(fā)射成本，通過不斷的技術(shù)革新來提升“長征”火箭的市場競爭力，加大在國際衛(wèi)星發(fā)射市場的份額。

加快研制重復(fù)使用火箭，盡快實施飛行演示試驗

重復(fù)使用火箭是航天運輸系統(tǒng)發(fā)展的方向之一，是未來實現(xiàn)快速、可靠、廉價進出空間的重要途徑，美、俄、歐、日、印等國家和地區(qū)均大力推進各自的重復(fù)使用運載器項目。截至目前，SpaceX公司已完成20余枚一子級箭體的重復(fù)使用發(fā)射，其中有2枚箭體先后執(zhí)行了3次發(fā)射任務(wù)，而執(zhí)行美國空軍空間試驗計劃－2（STP－2）發(fā)射任務(wù)的“獵鷹重型”火箭，也采用了2枚此前回收的助推芯級，表明運載火箭重復(fù)使用技術(shù)日趨成熟，火箭可靠性也在逐漸得到用戶的認可。

我國新一代運載火箭采用液氧/煤油、液氧/液氫等航天動力，同時開展了液氧/甲烷發(fā)動機的研發(fā)工作，具有實施重復(fù)使用的先天基礎(chǔ)和優(yōu)勢。應(yīng)進一步加大重復(fù)使用運載火箭的研究力度，通過實施飛行演示試驗盡快突破關(guān)鍵技術(shù)，提高技術(shù)成熟度，推動重復(fù)使用技術(shù)的應(yīng)用，以適應(yīng)我國未來低成本、高密度發(fā)射的任務(wù)需求。