“猎鹰9”号运载火箭

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1、美国私营企业 SpaceX 公司 4 日成功试射了一枚“猎鹰 9”号运载火箭。它的运载能力已超过 所有中国现役运载火箭，而研发的它的 SpaceX 公司从成立到“猎鹰”9 号发射成功才总共不 到 10 年，足见美国航天基础之雄厚，更革命性的是这类企业很可能会在将来颠覆航天发展 的举国体制。5 月 26 日， “阿特兰蒂斯”号顺利返回完成最后一次飞行。 美国航天的空窗期美国航天的空窗期 今年底之前，美国现存的三架航天飞机要全部退役，其中“阿特兰蒂斯”号已经率先完成了 最后一次飞行。这意味着，美国将自“阿波罗”飞船退役后，再次陷入没有现役载人航天器 的状况，暂时只能依赖俄罗斯的“联盟”飞船。而且，

2、由于以在月球表面建立永久性基地为 最终目标的星座计划目前已被取消，其中的“猎户座”飞船陷入前途未卜的境地，而配套的 “战神”I 运载火箭差不多已经彻底放弃，因此美国国家航空航天局（NASA）何时能“续弦”还 根本没谱。从 1975 年的“阿波罗联盟”对接任务到 1981 年“哥伦比亚”号航天飞机首飞， 在长达六年的时间里美国没有执行任何载人航天任务，这次不知道美国又要有多长的空窗 期。 扶持商业火箭扶持商业火箭 不过，就在 NASA 在国会的压力下取消星座计划后，美国总统奥巴马表示，将在未来 5 年 内为 NASA 新投入 60 亿美元，用于鼓励使用商业火箭，并至少将国际空间站的寿命延长至 2

3、020 年，使 NASA 的重点从重返月球中转移出来。而作为这一计划的里程碑成果，2010 年 6 月 4 日（这是一个值得载入历史的日子） ，SpaceX 公司用自行研制的“猎鹰”9（Falcon 9）运载火箭，将“龙”号载人飞船的模型送了地球轨道。实际上早在多年前，NASA 和美国 国防部高级计划研究局（DARPA）一道，启动了商业轨道运载服务（COTS）项目。奥巴马支持 SpaceX 公司，最右者为 SpaceX 老板 Elon Musk。 SpaceX 公司其实源于公司其实源于 PayPal SpaceX 公司的成功首先要归功于其老板 Elon Musk，Elon Musk 是网上交易

4、第三方支付工具 “贝宝”（PayPal）的创始人。在国内支付宝是最大的第三方支付工具，而在国外贝宝才是。 Elon Musk 将贝宝卖给 eBay 后，将套现获得的资金投入了 SpaceX 公司的创建和运载火箭的 研制。除了老板的慷慨解囊，风险投资是另一个资金来源。政府虽然按合同向 SpaceX 提供 资助，但拨款与波音和洛克希德这种巨头绝对不可同日而语，这是媒体将 SpaceX 称为私人 企业的原因之一。 另一个原因是，在国外上市企业被称为“公众公司”（Public Company） ，与此对应的非上市 企业则被称为“私人公司”（Private Company） 。SpaceX 暂时还没有上

5、市的计划，但随着“猎 鹰”9 的成功，以及之前 SpaceX 成功获得 COTS 的下一阶段合同，许多分析人士认为私人宇 航事业已经初现曙光。2009 年 6 月 16 日“猎鹰“9 的灰背隼发动机点火测试。 NASA 提供发动机技术提供发动机技术 不过，SpaceX 如果没有 NASA 和 DARPA 在背后支持，显然也是绝对不可能成事的。SpaceX 显然无力在测试场、发射场、测控等所有方面全部自己搞定，而波音和洛克希德这种巨头 又不会主动帮忙。NASA 为了支持私人企业的发展航天事业，采取了非常慷慨的态度。为了 避免 COTS 使用洛克达因等厂商昂贵的发动机，开放了阿波罗计划的部分技术，

6、以便SpaceX 能够按任务需求和总体设计研制合适的火箭发动机。 “猎鹰”系列的“灰背隼”发动机就 采用了登月舱下降级发动机的喷注器。而为了使 SpaceX 能够进行试车，NASA 还允许其使 用测试台架。当然，烧掉的大量航天级精炼煤油（RP-1）和液氧需要 SpaceX 自己搞定，只 是这在美国并非什么难事。“猎鹰“9 的发射场非常简单，这里曾是“大力神“IV 的发射场。 美国空军提供测试场地美国空军提供测试场地 美国空军虽然已经有了德尔塔 4 运载火箭，但对于 SpaceX 的“猎鹰”系列火箭也非常感兴趣。 “猎鹰”1 在夸贾林环礁奥莫莱克岛（Omelek Island）上的发射场，原先就

7、是空军里根测试站 （Reagan Test Site，RTS）的一部分。而这次用于发射“猎鹰”9 的 SLC-40 发射场，原来是空 军“大力神”III 和“大力神”IV 火箭的发射场。未来， “猎鹰”9 还可能在加州的范登堡空军基地 发射，用于向高倾角轨道发射军用载荷。需要指出的是， “猎鹰”9 的首次发射搭载的是载人 飞船的测试模型，主要进行船箭结合和在轨测试，但是 SLC-40 的设施目前还远远无法承担 载人航天任务。SLC-40 采用的是水平总装和台架起竖方案，发射架结构非常简单，甚至比 “联盟”火箭的台架设施还要简单得多，当然有关的台架设施未来肯定是要增设的。Elon Musk 和发

8、射前的“猎鹰“9 火箭，注意火箭第一级采用了 9 台“灰背隼”液氧煤油发动机。运载能力比长征运载能力比长征 2F 更强更强 此次发射的“猎鹰”9 火箭为一款两级液体运载火箭，第一级采用了 9 台“灰背隼”液氧煤油发 动机，第二级采用了 1 台增强型“灰背隼”发动机。作为一款私人公司研发的运载火箭， “猎 鹰”9 有着令人难以致信的运载能力。具体来说，在卡纳维拉尔角发射场， “猎鹰”9 的近地轨 道（LEO）运力为 10450 千克，同步转移轨道（GTO）运力为 4540 千克；在纬度较高的夸 贾林环礁， “猎鹰”9 的 LEO 运力为 8560 千克，GTO 运力为 4680 千克。从运载能力

9、上来看， “猎鹰”9 已经超过了除“长征”3 号乙外的所有中国现役运载火箭，包括用于发射“神舟”飞船 的“神箭”“长征”2F。从 SpaceX 公司成立到“猎鹰”9 号的发射成功总共不到 10 年时间， 从中可以充分看出美国航天令人发指的雄厚基础。 直径与直径与“长征长征”2/3/4 系列相当系列相当 这次发射的“猎鹰”9 相比之前发射的“猎鹰”1 要大不少，从两者的直径看是 12 英尺（3.66 米）对 5.5 英尺（1.7 米） 。横向比较的话， “猎鹰”9 的芯级直径其实也仅比“长征”2/3/4 系列 的 3.35 米略大一些，但运载能力显然要强得多，这很大程度上要归功于“煤油液氧”推进

10、 剂较“偏二甲甲肼四氧化二氮”推进剂的先天优势， “猎鹰”9 和“猎鹰”1 一样都采用两级构型， 未来的“猎鹰”9HLV(重型版)则将采用两级半构型。“猎鹰“9 的 LEO 已经超过包括长征 2F 在内的中国现役所有火箭(左图)。未来“猎鹰“9HLV 的 LEO 还将超过中国的长征 5 号(右图)。 全液氧煤油发动机降低成本全液氧煤油发动机降低成本 “猎鹰”9 采用了更强劲的上面级（即第二级） ，它直接衍生自芯一级上安装的“灰背隼”发动 机，但有两次启动能力，推力调节范围也很大。尽管煤油液氧推进剂加上燃气发生器循 环在排气速度上存在不足，但通过大幅提高喷管的膨胀比，SpaceX 用最简单的方法

11、和最低 廉的成本获得了可以接受的真空比冲，由此避免了专门研制先进低温上面级（即氢氧发动 机） 。此外， “猎鹰”9 可以采用外径达到 5.2 米的大型整流罩，这一直径介于“德尔塔”IV 和 “宇宙神”V 两种“渐进一次性运载火箭”（EELV）之间，加上上面级能够提供足够的加速度， “猎鹰”9 具有很强的载荷适应性。 “猎鹰猎鹰”9HLV 将超越研制中的长征将超越研制中的长征 5 号号 “猎鹰”9 还采用了上世纪 90 年代以来非常流行的通用助推器（CBC）概念，通过捆绑两个与芯一级直径相同的模块， “猎鹰”9 重型版可以达到 30 吨级的 LEO 运力，这将超越我国在 研的“长征”5 号运载火

12、箭最大运力构型的 25 吨。而且“长征”5 号全系列有三种不同直径的 下面级，而“猎鹰”9 利用 CBC 的概念总共只有一种下面级。而且“猎鹰”1、 “猎鹰”1e、 “猎鹰”9 和“猎鹰”9HLV 四种运载火箭构成的整个“猎鹰”系列，只有“灰背隼”1C（Merlin 1C）一种起 飞发动机，以及“猎鹰”1 系列使用的“茶隼”（Kestrel）和“猎鹰”9 系列使用的高空版“灰背隼” 两种上面级发动机，其中“灰背隼”高空版的大部分零部件都和“灰背隼”1C 相同。由于发动 机型号数量，这使 SpaceX 可以使用批量生产的方式来降低成本和控制质量。俄联盟 TMA-18 火箭以平放的姿态进入发射场，

13、因其可靠性高所以不需要像中国长征火箭 一样还需要竖立后慢慢运进发射场。 借鉴前苏联借鉴前苏联 R-7 系列火箭的成功经验系列火箭的成功经验 实际上，SpaceX 很大程度上借鉴了俄罗斯 R-7 系列的成功。R-7 系列即使发展到现在“联盟” 系列火箭，在技术上都不能算非常先进，但通过规模生产成本相当低廉。R-7 系列采用捆 绑结构，尽管采用的不是 CBC，但芯级发动机和助推器发动机基本相同。到目前为止，人 类发射最多的运载火箭是苏联俄罗斯的 R-7 系列，从 1957 年将第一颗人造地球卫星送入 轨道以来，其发射数量达到了数千发之多。冷战高峰的时候，苏联甚至有一天几发的能力 和记录。而且以 R

14、-7 的发射数量，其成功率是非常惊人的。当然，如果芯级安装的发动机 数量过多也会出现问题，这降低了运载火箭的整体可靠性，苏联为登月计划而言之的 N-1 运载火箭一直以来被当作是失败的典型。土星 5 号的 F-1 发动机是迄今推力最大的单喷嘴火箭发动机。借用土星借用土星 V 号发动机简化设计号发动机简化设计 SpaceX 的野心还远远不止“猎鹰”9HLV，在芯一级上安装多达 9 台主发动机是迅速达到运力 指标要求的最简单手段，尽管 SpaceX 强调多台主发动机并联工作的推力冗余，但毕竟存在 安全系数过低的问题，未来的发展方向仍然是提高主发动机的单机推力，争取减少芯一级 上的主动机安装台数。为此

15、，SpaceX 仍然在阿波罗计划的技术遗存中进行发掘，希望在强 悍的“土星”V 号 F-1 主发动机基础上，研制一种推力稍小但非常可靠的起飞发动机，SpaceX 将这种发动机命名为“格里芬”或者“鹰狮”，与“猎鹰”系列的名称非常和谐（当然是不是讨好 NASA 前局长格里芬大人就不知道了） 。 “格里芬”1A 同样也采用燃气发生器循环，使用液氧/煤油推进剂，海平面设计推力 120 万 磅，比冲 270 秒，真空推力 131 万磅，真空比冲 300 秒，预计 2015 年拿出来。从指标上 可以看出， “格里芬”1A 的设计思路和 F-1 非常类似，都是在保证拥有足够推力的情况下，适 当牺牲一些比冲

16、。尽管如此， “格里芬”1A 的比冲还是要比 F-1 大一些，这对提高运载系数有 很大的好处。相比 F-1 超过 150 万磅的海平面推力， “格里芬”1A 的推力小了约 20%，当然这 还是非常值得的，因为“格里芬”的装机重量要比 F-1 小得多。SpaceX 暂时不打算升级“猎鹰” 9 的 3.6 米芯级直径，因此“格里芬”1A 采用了结构允许的最大设计。SpaceX 未来的发展计划瞄准登月级的运载火箭。 如果“猎鹰”9 采用“格里芬”1A 来替代“灰背隼”主发动机，起飞推力将略有增加，但“格里芬” 1A 的比冲较“灰背隼”低 5 秒左右，芯一级的工作时间预计将从 170 秒减少到 153 秒，这将 对芯一级所提供的总冲产生不利影响。SpaceX 的解决方案是延长上面级工作时间到 510 秒， 综合下来 LEO 运力比“猎鹰”9 还是有相当提高的。由于有了“猎鹰”9HLV 打下的基础， SpaceX 接下来可以很快发展出基于“格里芬”1A 的 HLV，虽然 LEO 运力和“猎鹰”9HLV 基本相 当，但起飞发动机数量可以从 27 台大幅削减至