劉敏華

(1. 西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072；2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

天地往返重復(fù)使用是航天技術(shù)發(fā)展的重要方向，從技術(shù)路線上來看，“垂直起降”“垂直發(fā)射、水平著陸”“水平起降”等幾種技術(shù)途徑都在并行開展研究和實踐應(yīng)用，其中獵鷹9號火箭所發(fā)展的一級箭體“垂直起降”發(fā)射回收復(fù)用技術(shù)，已最為成熟，并多次應(yīng)用于火箭重復(fù)使用發(fā)射任務(wù)中，在重復(fù)使用工程應(yīng)用方面走在了前面，積累了經(jīng)驗和大量可供分析的數(shù)據(jù)子樣?；诖?，本文以獵鷹9號火箭作為目標(biāo)研究對象，以期對重復(fù)使用研究和應(yīng)用工作有所借鑒和幫助。

1 獵鷹9號火箭及狀態(tài)演變

獵鷹9號火箭自研制以來，已發(fā)展演變了5個版本的火箭。

(1)獵鷹9號1.0版(已退役)

獵鷹9號1.0版為兩級火箭，第一級搭載了9臺Merlin 1C發(fā)動機(jī)(采用九宮格布局)，第二級搭載了一臺Merlin 1C真空版發(fā)動機(jī)，均為液氧煤油發(fā)動機(jī)，第一級不可回收。LEO運載能力10 450 kg，GTO運載能力4 540 kg。1.0版火箭共進(jìn)行了5次發(fā)射，4次完全成功，1次部分成功。2010年6月4日首次發(fā)射，2013年3月1日發(fā)射CRS-2任務(wù)后退役不再使用。

(2)獵鷹9號1.1版(已退役)

相比1.0版，獵鷹9號1.1版火箭長度增加到68.4 m，一級發(fā)動機(jī)改為9臺Merlin 1D發(fā)動機(jī)(采用圓形布局)，可實現(xiàn)節(jié)流調(diào)節(jié)能力，發(fā)動機(jī)推重比也大幅提高[1]。LEO運載能力提高到13 150 kg。1.1版共進(jìn)行了15次發(fā)射，2013年9月29日首次發(fā)射，除2015年6月28日發(fā)射CRS-7任務(wù)失敗外，其他主線任務(wù)都取得成功。

(3)獵鷹9號全推力版Block3(已退役)

獵鷹9號全推力版Block3火箭長度增加到70 m，發(fā)動機(jī)升級到Merlin 1D+發(fā)動機(jī)，通過冷凝處理技術(shù)提高液氧煤油的加注量，LEO運載能力提高到22 800 kg，GTO運載能力8 300 kg，一級完全可回收。共進(jìn)行了25次發(fā)射，2015年12月22日首次發(fā)射OG-2任務(wù)，一級箭體B1019.1首次成功回收。除AMOS-6任務(wù)在發(fā)射前意外爆炸，其他發(fā)射均成功，實現(xiàn)了16次成功回收。

(4)獵鷹9號Block4(已退役)

獵鷹9號Block4為過渡版本，采用鈦合金柵格舵取代鋁合金的柵格舵。2017年8月14日首次發(fā)射，共進(jìn)行了12次發(fā)射，在獵鷹9號火箭第57次發(fā)射后退役不再使用。

(5)獵鷹9號Block5(現(xiàn)役)

獵鷹9號Block5采用了全新設(shè)計的上面級，重復(fù)使用能力大幅提升。2018年5月11日首次發(fā)射，截至2023年12月31日，已完成229次發(fā)射，全部取得了成功。

2 獵鷹9號火箭(Block5型)的發(fā)射統(tǒng)計分析

2.1 按年度的統(tǒng)計分析

自2018年Block5版本火箭成功首飛以來，按年度(統(tǒng)計見表1)來看，獵鷹9號火箭的年度發(fā)射次數(shù)呈持續(xù)上升態(tài)勢，并且取得了全部成功。2023年，更是以15枚在役一級箭體的多次復(fù)用，支撐了全年91次的火箭發(fā)射，一級箭體年平均復(fù)用次數(shù)達(dá)到6.06次。

表1 按年度的統(tǒng)計Tab.1 Statistics by year

2.2 按任務(wù)的統(tǒng)計分析

Block5版本火箭按任務(wù)來源統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2，分析如下。

表2 按任務(wù)來源的統(tǒng)計Tab.2 Statistics by task source

1)星鏈任務(wù)：詳見2.3節(jié)，是當(dāng)前獵鷹9號火箭高密度發(fā)射的主要任務(wù)來源，發(fā)射次數(shù)總占比已達(dá)57%，2023年度占比更是達(dá)到69%。

2)NASA科學(xué)任務(wù)：個位數(shù)，任務(wù)相對較少。

3)軍方國防任務(wù)：主要為GPS III衛(wèi)星、NROL偵察衛(wèi)星和太空發(fā)展局SDA衛(wèi)星。

4)國際空間站ISS貨運和載人任務(wù)：相對穩(wěn)定，每年任務(wù)次數(shù)為4～5次。

5)國內(nèi)用戶：主要為國內(nèi)通信公司。

6)國外用戶：隨著獵鷹9號火箭不斷成熟與可靠，國外用戶的數(shù)量持續(xù)增加，以通信衛(wèi)星/星座發(fā)射為主，目前已成為排在星鏈發(fā)射任務(wù)之后的第二大發(fā)射任務(wù)。

7)拼單發(fā)射服務(wù)：瞄準(zhǔn)小衛(wèi)星市場，持續(xù)推出了1次一箭多星和9次Transporter拼單發(fā)射服務(wù)。

8)商業(yè)太空飛行任務(wù)：目前主要形式包括亞軌道飛行和軌道級飛行，經(jīng)過多年的探索，在2021年實現(xiàn)了集中突破和爆發(fā)。2021年，維珍銀河1號載人亞軌道飛行成功，藍(lán)色起源載人亞軌道飛行成功，同年Space X的軌道級載人也發(fā)射成功。截至2023年年底，Space X通過獵鷹9號火箭，已成功發(fā)射實施了3次軌道級商業(yè)太空飛行任務(wù)，分別為2021年的Inspiration4載人任務(wù)(4名乘員、約2億美元成本和3天軌道飛行)、2022年的AX-1任務(wù)(4名乘員、約2億美元成本、與ISS對接和10天周期往返)和2023年的AX-2任務(wù)(4名乘員、約2億美元成本、與ISS對接和10天周期往返)，搭乘了12名乘員進(jìn)入空間或空間站。

2.3 星鏈任務(wù)的統(tǒng)計分析

從2018年發(fā)射星鏈衛(wèi)星以來，截至2023年12月31日，通過獵鷹9號火箭，星鏈衛(wèi)星已累計發(fā)射了5 650顆衛(wèi)星(具體統(tǒng)計見表3)，其中包括2顆Tintin測試衛(wèi)星、60顆V0.9版衛(wèi)星、1 678顆V1.0版衛(wèi)星、2 974顆V1.5版衛(wèi)星和936顆V2 Mini版衛(wèi)星。

表3 星鏈任務(wù)的發(fā)射統(tǒng)計Tab.3 Launch Statistics for the Starlink Mission

3 一級箭體的復(fù)用分析

3.1 整體生產(chǎn)和庫存情況

獵鷹9號火箭一級箭體的編號，采用了Booster首字母B加序列數(shù)字的編號形式。

B0001～B0007(7個)，是用于技術(shù)驗證與演示獵鷹9號，也被稱為V1.0版。其中B0001和B0002用于測試，其他5枚箭體用于發(fā)射。

B1001～B1018(18個)，被稱為V1.1版。其中B1001、B1002、B1009用于測試，其他15枚用于發(fā)射。

B1019～B1038(20個)，被稱為完全推力版本。其中B1027用于測試，其他用于發(fā)射。

B1039～B1045(7個)，屬于Block4版本。

B1046開始，為Block5版本，快速穩(wěn)定生產(chǎn)。截至2023年年底，有B1060、B1061、B1062、B1063、B1064、B1065、B1067、B1069、B1071、B1073、B1075、B1076、B1077、B1078、B1080、B1081等一級箭體在服役。

生產(chǎn)的部分一級箭體用于獵鷹重型火箭的助推和芯級，詳見表4。

表4 獵鷹重型火箭發(fā)射及其一級箭體使用情況Tab.4 Falcon Heavy rocket launch and its usage of the stage-1 booster

3.2 一級箭體(Block5型)復(fù)用的統(tǒng)計情況與能力評價

通過表5的數(shù)據(jù)，對當(dāng)前復(fù)用能力的評價，從以下3個指標(biāo)進(jìn)行分析。

表5 一級箭體使用情況Tab.5 The usage of the stage-1 booster

1)可復(fù)用次數(shù)S：代表箭體在回收維護(hù)后能夠正常使用的能力，目前表征的最大次數(shù)是19次。

2)平均復(fù)用率：表征的是一枚箭體在一段時間內(nèi)重復(fù)使用的頻率，從能力角度它主要與維修維護(hù)及周轉(zhuǎn)間隔時間D有關(guān)。不同一級箭體的年平均復(fù)用率在不斷提高，已從最開始B1046箭體的1.8次/年，逐步增加到B1076箭體的8次/年。

一級箭體的周轉(zhuǎn)間隔時間D與箭體所處的維護(hù)狀態(tài)和維護(hù)等級有關(guān)。重復(fù)使用火箭的檢測維修，一般采用三級維護(hù)維修[2]。獵鷹9號火箭關(guān)注復(fù)用準(zhǔn)則的探索，通過振動試驗驗證重要部件的疲勞壽命能覆蓋4倍于15次飛行任務(wù)的工作時長，建立了3個級別的復(fù)用檢測維護(hù)準(zhǔn)則，即每次任務(wù)后都進(jìn)行的A級檢測，執(zhí)行6～7次飛行任務(wù)后的B級定期維修，發(fā)射次數(shù)最多(13次以上)和執(zhí)行載人任務(wù)需進(jìn)行的C級徹底維護(hù)。同一一級箭體的最快周轉(zhuǎn)間隔時間為B1062箭體創(chuàng)造的22天。

3)發(fā)射頻率：表征一段時間內(nèi)發(fā)射的次數(shù)規(guī)模，可用年發(fā)射次數(shù)或年平均發(fā)射間隔時間來表征。它是一個綜合的結(jié)果指標(biāo)，與發(fā)射需求M、箭體庫存量K、箭體可復(fù)用次數(shù)S、周轉(zhuǎn)間隔時間D以及與之相匹配的二子級生產(chǎn)率、發(fā)射臺與回收船周轉(zhuǎn)率等因素有關(guān)。2023年度，獵鷹9號火箭實現(xiàn)了年發(fā)射91次，或者是平均每4天發(fā)射一次的頻率。

由于獵鷹9號火箭的二子級不可重復(fù)使用，為匹配適應(yīng)火箭高發(fā)射頻率的要求，二子級的生產(chǎn)率已提高到年產(chǎn)百發(fā)產(chǎn)品的水平，后續(xù)還將進(jìn)一步提高。

3.3 一級箭體復(fù)用及退役策略的分析

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，一手新火箭除個別火箭用于發(fā)射星鏈任務(wù)外，優(yōu)先用于國際空間站載人/貨運任務(wù)和高價值載荷任務(wù)。

一級箭體的退出，一種是通過計劃中的不回收方式銷毀，還有一種方式就是回收失敗或損毀。而對于計劃中的不回收，可能是用于特定試驗(如B1046.4開展的IFA測試)，或者是用戶要求全推進(jìn)劑工作用于投送載荷(如B1047.3、B1051.14、B1054.1)。

4 發(fā)射臺和著陸回收的統(tǒng)計分析

4.1 整體情況

獵鷹9號火箭的發(fā)射臺目前有3個：東部卡納維拉爾角太空軍基地的SLC-40、肯尼迪航天中心的LC-39A以及西部范登堡空軍基地的SLC-4E。近期Space X公司對卡納維拉爾角的SLC-40發(fā)射臺進(jìn)行了改造，安裝了宇航員空中廊橋，改造完成后具備支持載人龍飛船發(fā)射的能力，這是繼肯尼迪航天中心的LC-39A之后，Space X公司擁有的第二個可用于發(fā)射載人航天任務(wù)的發(fā)射設(shè)施。同時為滿足后續(xù)更大的發(fā)射需求，Space X公司已租下范登堡空軍基地的SLC-6工位，作為西海岸第二個發(fā)射臺。未來發(fā)射布局會更加全面優(yōu)化、分工明確，西海岸主要用于極軌發(fā)射，東海岸主要用于載人航天、中低傾角LEO、GTO、GEO、跨月、日心等軌道的發(fā)射。

一級箭體的回收，目前有陸上回收和海上回收兩種方式。陸上著陸區(qū)，包括卡納維拉爾角的LZ-1、LZ-2和范登堡空軍基地的LZ-4。海上回收采用海上回收船ASDS進(jìn)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個月后于2015年退役，目前在役的為第二艘，2017年1月14日部署銥星NEXT-1時，首次成功回收一級火箭。2015—2019年在西海岸服役，維修后部署調(diào)整到東海岸，2020年6月4日復(fù)出執(zhí)行任務(wù)。

2)OCISLY(Of Course I Still Love You)：2016年3月4日首次嘗試回收一級火箭(B1020發(fā)射SES-9任務(wù))，結(jié)果失敗。2016年4月8日B1021.1發(fā)射CRS-8龍飛船，一級火箭成功降落在海上平臺。2015年12月至2021年6月期間部署在東海岸卡納維拉爾港，2021年7月轉(zhuǎn)至西海岸加州長灘港。

3)ASoG(A Shortfall of Gravitas)：部署在東海岸卡納維拉爾港，2021年8月首次回收B1061.4箭體。

4.2 發(fā)射臺的使用周轉(zhuǎn)分析

2023年是獵鷹9號火箭發(fā)射的歷史高峰年，以該年發(fā)射任務(wù)情況來分析。在其3個發(fā)射臺中：卡納維拉爾角SLC-40發(fā)射臺年度發(fā)射最多，最為繁忙，2023年共發(fā)射了55次，年平均6.6天發(fā)射一次，最快周轉(zhuǎn)周期3天，最長周轉(zhuǎn)周期12天；范登堡空軍基地的SLC-4E發(fā)射臺次之，共發(fā)射了28次；肯尼迪航天中心LC-39A最少，只有8次，加上獵鷹重型的5次發(fā)射，共發(fā)射了13次。

SLC-40發(fā)射臺能夠?qū)崿F(xiàn)高的使用頻率，與獵鷹9號火箭采用“三平”(水平總裝、水平測試、水平整體轉(zhuǎn)運)測試發(fā)射模式和發(fā)射臺采取簡化與箭地一體化設(shè)計等因素有關(guān)。“三平”測試發(fā)射模式極大減少了發(fā)射區(qū)的占位時間和保障需求[3]。

4.3 回收方式的選擇與使用周轉(zhuǎn)分析

獵鷹9號火箭一級箭體回收方式的選擇，主要取決于投送的載荷質(zhì)量與軌道(參見表6)。以2023年度來看，對于拼單、SDA衛(wèi)星和商業(yè)乘組等投送質(zhì)量相對較小的低軌載荷任務(wù)，獵鷹9號火箭的一級箭體均實施陸地著陸進(jìn)行回收。2023年度陸地回收共計13次，占比14%。

表6 不同軌道和回收方式對應(yīng)的載荷能力(開源數(shù)據(jù))Tab.6 Payload capacity for different orbits and recovery methods(open source data)

對于承擔(dān)主要回收方式的海上回收，2023年度回收占比達(dá)86%。其中西部只部署了一條船“OCISLY”，2023年回收21次，最快周轉(zhuǎn)周期8天。在東部則部署有兩條船“JRtI”和“ASoG”，交替進(jìn)行回收，2023年回收57次，最快周轉(zhuǎn)周期也均為8天。

5 獵鷹9號火箭的拼單發(fā)射服務(wù)

從2021年開始，獵鷹9號火箭針對小衛(wèi)星發(fā)射市場需求，推出了Transporter系列拼單發(fā)射服務(wù)，截至2023年12月底已先后發(fā)射了9次，累計將785個衛(wèi)星載荷送入軌道。

綜合表7和其他開源信息，可以看出：

表7 拼單發(fā)射服務(wù)情況Tab.7 Joint order for the launch service

1)拼單發(fā)射服務(wù)部署的軌道主要選擇面向太陽同步軌道或極地軌道，這對于種類繁多的小衛(wèi)星領(lǐng)域，相對容易拼單發(fā)射。拼單發(fā)射提供了5種載荷配置形式，包括位于分配器頂端的“蛋糕頂”艙位、1/4艙位、1/2艙位、全艙位、加大版全艙位。

2)對于衛(wèi)星載荷發(fā)射服務(wù)，Space X公司的獵鷹9號火箭既可提供直接發(fā)射入軌服務(wù)，也可通過載荷分包模式，即通過集成部署器或軌道轉(zhuǎn)移飛行器OTV(可用于提升衛(wèi)星軌道、調(diào)整傾角)來部署小衛(wèi)星。美國Spaceflight、德國Exolaunch、意大利D-orbit等公司作為分包商先行購買獵鷹9號火箭的載荷堆棧接口，每個接口100萬美元、可搭載200 kg載荷，分包商之后再分配給衛(wèi)星客戶。如在Transporter-1任務(wù)中，Spaceflight公司的Sherpa-FX OTV搭載了13顆小衛(wèi)星，Exolaunch公司包攬了30顆衛(wèi)星，意大利D-orbit公司包攬了20顆衛(wèi)星。

3)精細(xì)成本控制。小衛(wèi)星的拼單發(fā)射任務(wù)，衛(wèi)星數(shù)量雖大，但載荷總質(zhì)量仍較小，相較獵鷹9號火箭的低軌運載能力余量較大。為此發(fā)射時二級采用了短噴管版的真空梅林發(fā)動機(jī)以節(jié)約成本，一級則直接返回發(fā)射場附近進(jìn)行陸地著陸。

4)價格優(yōu)勢。目前獵鷹9號火箭的拼單發(fā)射價格雖已漲至5 500美元/kg，但相比火箭實驗室的電子火箭發(fā)射報價38 000美元/kg SSO，仍具有非常大的價格優(yōu)勢。

6 獵鷹9號火箭的經(jīng)濟(jì)性與前景預(yù)測

6.1 獵鷹9號火箭的成本與經(jīng)濟(jì)性分析

2020年以來獵鷹9號火箭成本構(gòu)成及占比見表8。全新獵鷹9號火箭的發(fā)射服務(wù)報價6 200萬美元(2022年上調(diào)至6 700萬美元)，復(fù)用型火箭發(fā)射服務(wù)報價5 000萬美元，1次全新火箭發(fā)射和1次復(fù)用火箭發(fā)射的利潤為(6 200+5 000-5 000-1 500)萬美元=4 700 萬美元，即接近一枚新火箭的制造成本。

表8 2020年以來獵鷹9號火箭成本構(gòu)成及占比(萬美元，開源數(shù)據(jù))[4]Tab.8 The cost composition and proportion of the Falcon 9 since 2020 (Ten thousand dollars，open source data)[4]

理想情況，按照一級執(zhí)行12次、整流罩執(zhí)行6次來計算，發(fā)射12次的成本為：(5 000+1 500×11+500)萬美元=22 000萬美元，發(fā)射收入為(6 200+5 000×11)萬美元=61 200萬美元，利潤高達(dá)39 200萬美元。

實際過程中，Space X公司為使市場接受復(fù)用型火箭執(zhí)行發(fā)射服務(wù)，采取了自降利潤、返還合同款、免費提供附加服務(wù)等措施。正是在這些措施激勵和獵鷹9號火箭復(fù)用技術(shù)不斷成熟的情況下，美國軍方逐漸放寬并取消了對一級回收和復(fù)用的限制。

6.2 未來前景預(yù)測

(1)未來一段時間，獵鷹9號火箭仍將進(jìn)一步提高發(fā)射頻率和重復(fù)使用率

Space X公司已宣布2024年將實施144次發(fā)射，達(dá)到平均每2.53天發(fā)射一次的高密度。從發(fā)射任務(wù)需求來看，獵鷹9號火箭不缺任務(wù)，星鏈任務(wù)仍將是未來一段時間內(nèi)的主力，Space X公司已經(jīng)獲批部署12 000顆星鏈衛(wèi)星，目前約有5 000顆在運營。

從發(fā)射的角度分析也是可行的。獵鷹9號火箭在東部有兩個發(fā)射臺和兩個海上回收船，短板在船的周轉(zhuǎn)周期，即使按8天考慮，東部發(fā)射/海上回收預(yù)估可達(dá)到90次。在西部有一個發(fā)射臺和一個海上回收船，西部發(fā)射/海上回收預(yù)估可達(dá)到45次，再加上陸地回收和獵鷹重型的發(fā)射，144次的發(fā)射次數(shù)完全是可實現(xiàn)的。后續(xù)隨著西海岸新增的SLC-6發(fā)射臺投入使用后，預(yù)計2025年的年發(fā)射總數(shù)將達(dá)到200次規(guī)模。

對于一級箭體的最大可復(fù)用次數(shù)能力，目前已達(dá)到19次水平，未來肯定將進(jìn)一步向前探索推進(jìn)，突破20次、30次甚至更多。一級箭體的年平均復(fù)用率目前已經(jīng)達(dá)到8次/年的水平，受維修維護(hù)周期影響，后續(xù)再提高的空間有限，10次/年可能會是上限。

(2)長遠(yuǎn)看，獵鷹9號火箭的主力地位將被完全重復(fù)使用的超重星艦系統(tǒng)所取代

超重星艦系統(tǒng)目前已開展了兩次綜合飛行試驗，雖然尚未取得成功，但在技術(shù)上已實現(xiàn)了重大突破。超重星艦系統(tǒng)具有的超大運載投送能力，使得低軌的目標(biāo)投送價格低至10美元/kg，遠(yuǎn)低于獵鷹9號火箭的5 000美元/kg。超重星艦系統(tǒng)的未來應(yīng)用前景廣泛，包括服務(wù)于“阿爾忒彌斯”計劃，助力美國載人深空探索活動。加快“二代星鏈”的部署。打造全球一小時“點對點”運輸系統(tǒng)，支撐物資/人員快速投送。發(fā)射大型空間設(shè)施及載荷，大幅拓展空間探索和空間利用水平等。

7 結(jié)束語

重復(fù)使用是運載火箭/飛行器未來發(fā)展的大趨勢和方向，要實現(xiàn)高的重復(fù)使用率和發(fā)射頻率，也是個體系化的工程，離不開緊密耦合的3方面因素：一是龐大發(fā)射任務(wù)的需求牽引，二是運載火箭/飛行器自身要具備的快速多次復(fù)用能力(包括復(fù)用部分和非復(fù)用部分)，三是與之相匹配的發(fā)射、回收等支持系統(tǒng)的保障能力。獵鷹9號火箭之所以能夠?qū)崿F(xiàn)較高的重復(fù)使用率和發(fā)射頻率，與同時滿足這3方面因素要求是分不開的。

對重復(fù)使用的相關(guān)分析評估，應(yīng)該注意區(qū)分能力指標(biāo)和綜合結(jié)果指標(biāo)的差異性。

獵鷹9號火箭能夠和已經(jīng)實現(xiàn)了一級箭體和整流罩的多次復(fù)用，技術(shù)上得益于Merlin發(fā)動機(jī)和重復(fù)使用設(shè)計，在復(fù)用策略上，面對多樣化發(fā)射服務(wù)需求可謂“精打細(xì)算”。

獵鷹9號火箭已經(jīng)實現(xiàn)的多次重復(fù)使用對航天發(fā)展來說是一項重大進(jìn)步，但仍屬于部分重復(fù)使用的系統(tǒng)。Space X公司正在研制的完全重復(fù)使用的超重星艦將是未來投入的方向和重點。