技术大咖带你看懂猎鹰重型
来源：航天新观察 作者：苏菲雅
“猎鹰重型”是SpaceX公司研制的两级液体重型运载火箭，一子级由3枚“猎鹰-9”火箭通用芯级捆绑构成，近地轨道（LEO）运载能力为63.8吨，地球同步转移轨道（GTO）运载能力为26.7吨，地火转移轨道运载能力为16.8吨。首飞成功，标志着该火箭已成为当前世界上运载能力最大的现役火箭。
“猎鹰重型”运载火箭及其发动机具体技术参数：
从2011年4月5日太空探索公司（SpaceX）宣布研制“猎鹰重型”运载火箭，到2018年2月6日“猎鹰重型”运载火箭首飞，可谓是“七年磨一箭”，众所瞩目，万众期待。“猎鹰重型”运载火箭此次首飞是从肯尼迪航天中心L39A发射台上发射，一子级的两个助推器均是由以往发射任务回收的“猎鹰-9”火箭通用芯级改装而成。首飞将全部回收“猎鹰重型”运载火箭一子级，其中2个助推器返回陆地着陆场回收，芯级返回海上驳船回收。火箭载荷为一辆樱桃红色特斯拉Roadster跑车，目标轨道为地球-火星转移轨道。
1、多发动机组合的高可靠性设计技术
“猎鹰重型”运载火箭一子级采用27台Merlin-1D+发动机，是当前世界上发动机数目最多的火箭。在传统设计理念中，为避免采用多发动机导致复杂的耦合振动、火箭推重比下降、系统可靠性降低等问题，火箭一子级发动机数目通常控制在10台以内。历史上曾有N-1火箭一子级采用了30台发动机，但其四次发射均以失败告终。“猎鹰重型”运载火箭一子级大胆采用了挑战传统的27台发动机方案，但采用先进的设计手段确保了其高可靠性。
一方面，“猎鹰重型”运载火箭通过模块化设计以及提高单台发动机可靠性来提升火箭的整体可靠性。“猎鹰重型”运载火箭一子级所采用的3个通用芯级，实际上将27台发动机划分为3个模块，每个模块只包含9台发动机，这种模块化的多台发动机组合设计的复杂程度和难度，要比N-1火箭将30台发动机集中于同一个模块上小得多。同时，“猎鹰重型”运载火箭一、二子级各台发动机都采用了三套箭载计算机热备份，实现了控制系统冗余，提高了发动机控制可靠性；其一子级的Merlin-1D+发动机采用了液氧煤油组合燃料和开式循环燃烧工艺，系统结构简单，经过数次改进后可靠性已达较高水平；按SpaceX公司曾披露Merlin-1D+发动机单机失效概率不超过0.05%计算，该发动机单机可靠性可高达0.9995。
▲三个并置模块27台发动机
另一方面，“猎鹰重型”运载火箭采用的动力冗余技术可有效提高火箭的整体可靠性。“猎鹰-9”运载火箭一子级芯级具备1~2台发动机失效冗余能力。基于技术延续性进行判断，“猎鹰重型”运载火箭也具备在一子级1台或多台发动机出现故障时，在运载能力虽有下降但仍能满足任务载荷要求的条件下，继续飞行并最终实现任务目标的能力。动力冗余设计使得“猎鹰重型”运载火箭的可靠性显然要高于不具备动力冗余能力、1台发动机失效就会引发整个任务失败的运载火箭的可靠性。
2. 动力冗余技术
“猎鹰重型”运载火箭所采用的动力冗余技术是指在其主动段飞行过程中，当1台或多台发动机发生故障，在不影响其余发动机正常工作的情况下，箭载控制系统对故障发动机实施紧急关机、故障隔离，继续执行并完成主发射任务的一项技术。该技术极具挑战性，涉及的主要关键技术包括：一是动力系统故障诊断隔离技术，利用箭载计算机故障诊断系统对发动机工作状态进行实时监测，当发现发动机产生故障后，对故障发动机采取推力室泄压、推进剂节流、燃气发生器提前关机等紧急关机处理措施；同时箭体设计上采用高强度轻质化防爆复合材料隔舱将各台发动机相互隔离，可避免因某台发动机失效发生爆炸对其余发动机造成冲击影响，从而最终达到隔离故障、降低影响的目的。二是弹道在线规划与重构技术，即在发动机故障导致火箭推力损失使得预置弹道无法满足入轨要求时，箭载计算机可根据实际飞行状态在线生成故障后弹道。三是控制制导指令在线生成技术，即在发动机故障导致预置发动机控制策略与指令失效时，箭载计算机可在线调整生成故障后发动机控制策略及指令。
3. 可重复使用技术
“猎鹰-9”火箭已成功实现了火箭一子级的陆上回收、海上回收以及回收后一子级的重复使用。“猎鹰重型”运载火箭继承了“猎鹰-9”火箭开展自主可控回收所涉及的发动机推力调节技术、推进剂管理技术、高精度姿控技术、热防护技术、着陆支撑结构技术等一系列关键技术，通过子级垂直返回回收后再利用实现可重复使用。
“猎鹰重型”运载火箭一子级各个通用芯级均安装有栅格舵，可用于辅助箭体再入过程中姿态稳定控制，并提供一定的气动阻力用于减速。各个通用芯级的着陆装置为四个支腿，在火箭发射后的上升段及再入过程中收拢于箭体，当火箭一子级减速即将着陆于地面或海上平台之前展开；支腿由液压装置执行收拢展开，并具有展开后锁死的能力；支腿主要由碳纤维及铝合金蜂窝板构成，轻质且能满足载重需求；支腿带有液压减震器，可进一步减缓垂直着陆带来的巨大冲击。
“猎鹰重型”运载火箭的一子级助推器分离和一二级分离均采用了可重复使用的“冷分离”机构。“冷分离”机构不使用火工品，以高压冷气喷射作为动力源，采用机械式推杆执行分离动作，不会对箭体造成损毁。一子级助推器分离时，分离面位于助推侧，机械推杆位于芯级侧，机械推杆在分离后回缩以减小损坏概率。
“猎鹰重型”运载火箭的一、二子级发动机都进行了可重复使用设计。目前回收的“猎鹰-9”火箭损毁最严重的子级模块已在试车台上完成10次全程试车，动力系统均正常工作，表明Merlin-1D+发动机可重复使用次数经考核已达到10次。
4. 发动机节流技术
为保证一子级助推器分离时芯级仍有最多的推进剂，达到延长芯级飞行时间、提升火箭运载能力的目标，“猎鹰重型”运载火箭在设计之初拟采用在一子级助推器与芯级之间通过交叉管路连接实现推进剂共用的推进剂交叉输送技术。该技术的实现难度较大，目前仍有许多难点问题待解决。
在首飞任务中，“猎鹰重型”运载火箭主要充分利用一、二子级发动机的节流变推力能力，来替代推进剂交叉输送技术实现其拟达到的目标。该方式与采用推进剂交叉输送技术相比可减小火箭设计复杂性，降低风险发生概率。在起飞初始阶段，“猎鹰重型”运载火箭一子级所有27台Merlin 1D+发动机均满工况工作，起飞一段时间后芯级发动机调节为小推力状态以节省芯级推进剂，可实现助推器先于芯级分离，且在助推器分离时芯级贮箱内的大部分推进剂仍未消耗。“猎鹰重型”运载火箭二子级点火一段时间后，Merlin-1D Vac发动机也可调节为小推力状态以延长二子级飞行时间。上述流程安排最终使得“猎鹰重型”运载火箭获得与三级火箭相当的性能，提高了运载能力。
5. 其它技术
“猎鹰重型”运载火箭采用了牵制释放技术，在火箭竖立发射台点火起飞前，通过集成在发射台的牵制释放系统牵制住火箭，同时让火箭发动机竖立发射台低工况工作一段时间，对发动机主要敏感参数进行采集和评估分析，快速判断发动机工作状态，以提升火箭发射可靠性。“猎鹰-9”火箭多次利用牵制释放技术实现起飞前故障诊断，一旦判断火箭存在危及发射的发动机或其它故障，便下达紧急关机指令，自动排出加注的推进剂，然后开展故障排查直至具备第二次发射可能性。利用牵制释放技术可以避免火箭带问题飞行的发生。该技术的关键在于牵制释放机构，该机构是一种机械抱爪式解锁机构，利用抱爪紧扣火箭着陆支腿及火箭竖立发射台的支撑点，此牵制释放点的选择可实现结构补强统一性设计。
▲牵制释放点与着陆腿支撑点重合
▲ 牵制释放机构
“猎鹰重型”运载火箭采用了新型轻质箭体结构技术，氧箱利用铝锂合金壳体横造技术既能保证安全又可大幅降低结构重量，燃料箱利用箱壁桁条以及环形结构设计增加其承载能力。整流罩、助推头锥采用的复合材料，确保了质量最轻。该火箭还按照NASA载人发射标准进行了结构安全裕度设计。与其它火箭采用25%的结构安全裕度不同，“猎鹰重型”火箭是按比飞行载荷高出40%的结构安全裕度来设计的。尽管结构安全裕度高于其它火箭，但“猎鹰”重型运载火箭火箭捆绑助推器的重量比高达30，优于史上任何火箭。
1、发动机节流技术的效益
假定将“猎鹰重型”运载火箭从肯尼迪航天中心LC-39A发射平台发射至龙飞船发射任务采用的350km×200km、倾角51.65°的LEO轨道（龙飞船任务轨道，视为基线条件），按照SpaceX公司公布的飞行时序进行弹道仿真，计算得到“猎鹰重型”运载火箭的运载能力为60.5～63.0t。在基线条件下，若“猎鹰重型”运载火箭一子级助推器、芯级均不进行节流，即在额定工况下作，则助推器、芯级同时分离，按照SpaceX公司公布的飞行时序进行弹道仿真后计算得到火箭运载能力为59t。因此，采用发动机节流技术可为火箭提升约1.5~4t的运载能力，同时改善火箭飞行过程中的气动载荷、轴向过载等环境条件。采用发动机节流技术还可提升火箭故障适应能力，保持助推器与芯级之间的推进剂消耗量的匹配均衡。
2. 可重复使用技术的代价与效益
采用可重复使用技术会带来降低火箭运载能力的代价，原因在于：为了实现可控回收，回收级需预留部分推进剂用于再入过程的动力减速和稳定控制，从而使火箭可用于发射载荷入轨的推进剂相对减少。
在基线条件下，若“猎鹰重型”运载火箭一子级两个助推器返回陆地原场、芯级返回海上驳船，按照SpaceX公司公布的飞行时序进行弹道仿真计算得到火箭的运载能力为29.6t。与基线计算结果即不回收状态相比，LEO运载能力最多损失约54%，高于“猎鹰-9”火箭一子级海上回收运载能力损失的19.7%以及陆地回收运载能力损失的51.5%。其主要原因在于：由于火箭推重比大，一子级芯级飞行速度高，需要预留更多的返回推进剂；助推器返回原场需要预留返回推进剂，致使助推工作时间短，不能充分发挥助推效能。
可重复使用技术带来的最大效益是可以降低发射成本。为获取竞争优势，目前“猎鹰重型”运载火箭发射报价为9000万美元；随着可重复使用技术得到更为充分的应用，其发射价格还有进一步降低的空间。但是，SpaceX公司必须在可重复使用和运载能力之间寻求一个最佳平衡点才能确保在商业发射市场的绝对竞争力。
3. 动力冗余技术的代价与效益
采取动力冗余技术的代价在于多台发动机设置增加了系统复杂度，增加了箭载计算机控制系统的设计难度，为便于隔离故障所安装的一子级发动机隔舱增加了火箭死重等。
采取动力冗余技术，“猎鹰重型”运载火箭具备在一子级k（k≥1）台发动机出现故障时，在运载能力虽有下降但仍能满足任务载荷要求的条件下，继续飞行并最终实现任务目标的能力。此时“猎鹰重型”火箭一子级27台发动机构成了一个(k+1)/27系统，即27台发动机中如果至少有k+1台发动机失效，则系统任务失效。(k+1)/27系统的可靠性优于27台发动机完全串联系统的可靠性；且k越大，(k+1)/27系统的可靠性越高。以k=3为例，在基线条件下，考虑一子级3台发动机故障的6种情况，分别进行弹道仿真计算可知6种情况下，火箭运载能力损失最大为4.2t。此时，一子级发动机组合系统为4/27系统，当单台发动机可靠性为0.9995，系统可靠性为0.99999，远高于27台发动机串联组合的可靠性0.98659。因此，在“猎鹰重型”火箭运载能力下降4.2t仍能满足发射任务载荷需求的情况下，当火箭具备一子级3台发动机故障冗余能力时，系统可靠性将提高1.36%。
理论上，“猎鹰重型”火箭允许发生故障的发动机的最多台数主要由火箭发射任务载荷需求决定。当火箭允许发生故障的发动机台数越多，发动机组合的系统可靠性将越高。
1.重型运载火箭是开展深空探测的现实选择
深空探测和大规模空间设施建设任务，均需要发展重型运载火箭。总体分析，未来载人登月任务，重型运载火箭将发挥重要作用；之后的载人深空探测，重型运载火箭则是必不可少的运输工具，也是最为现实的技术选择。
2.注重拓展性和继承性是重型运载火箭研制遵循的重要原则
重型运载火箭可以在主要动力模块通用化的基础上实现良好的可拓展性，通过对主要动力模块开展组合设计，可满足不同发射任务需求，不仅能降低研制费用，还能提供较大的任务实施灵活性。重型火箭发展还应特别注重技术的继承性，“猎鹰重型”运载火箭的研制就是充分继承了前期型号成熟技术，为自身的技术可行性、经济可承受性及飞行可靠性提供了重要保障。
3.发动机推力是影响重型火箭构型的关键因素
“猎鹰重型”运载火箭采用的Merlin系列发动机推力偏小，致使火箭一子级发动机台数多达27台，增加了火箭上升段出现发动机故障的概率，加大了火箭系统设计难度。若采用大推力发动机则可以减少发动机台数、降低火箭系统设计难度；但大推力火箭发动机，尤其是大推力高比冲的起飞级氢氧发动机的研发难度高，将使火箭研发周期增长、研发成本增大。由此可见，发动机选型是影响重型火箭构型的关键因素，是综合权衡系统复杂度、研发难度、研发成本、研发周期等众多因素的结果。
4.可重复使用运载器是航天发展重要方向
可重复使用运载器是大幅降低进入空间费用的有效手段，可为开展大规模航天应用提供有利支撑。世界各主要航天国家正将可重复使用技术作为未来航天发展的重要方向，不断加大对其的研究、应用力度。我国也应积极开展可重复使用运载器技术的研究，以应对未来航天发展挑战。