美國(guó)獵鷹－9可重復(fù)使用火箭方案研究

單文杰 代坤 康斯貝（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

2011年9月30日，美國(guó)太空探索技術(shù)（SpaceX）公司首席執(zhí)行官兼技術(shù)總監(jiān)艾倫·馬斯克（Elon Musk）在華盛頓國(guó)家新聞俱樂(lè)部（National Press Club）的演講中，首次披露了該公司研發(fā)可重復(fù)使用火箭的消息，這種新型火箭將是獵鷹－9（Falcon－9）火箭的可重復(fù)使用版。

1 獵鷹－9火箭概述

研制背景

2006年1月18日，為解決航天飛機(jī)退役后“國(guó)際空間站”的航天員與貨物運(yùn)輸問(wèn)題，美國(guó)航空航天局（NASA）啟動(dòng)了為期5年、價(jià)值5億美元的“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）計(jì)劃。該計(jì)劃旨在支持私人企業(yè)發(fā)展航天技術(shù)，并最終為“國(guó)際空間站”提供貨物和航天員補(bǔ)給服務(wù)。

“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”計(jì)劃第一階段的競(jìng)爭(zhēng)分為兩輪：2006年的驗(yàn)證競(jìng)爭(zhēng)和2008年的驗(yàn)證競(jìng)爭(zhēng)。在第一輪競(jìng)爭(zhēng)中，美國(guó)航空航天局收到了由20家公司遞交的29份提案，該局在2006－2010財(cái)年為中標(biāo)公司投資5億美元。太空探索技術(shù)公司憑借獵鷹－9火箭和“龍”（Dragon）飛船方案競(jìng)標(biāo)成功。根據(jù)合同，截至2010年，太空探索技術(shù)公司共獲得2.78億美元投資。

在第二輪的競(jìng)爭(zhēng)中，美國(guó)航空航天局共收到13份提案。2008年12月，美國(guó)航空航天局宣布把“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”計(jì)劃合同授予美國(guó)太空探索技術(shù)公司和軌道科學(xué)公司（OSC）。這兩家公司將在2010－2016年為“國(guó)際空間站”提供獨(dú)立的貨運(yùn)補(bǔ)給服務(wù)，期間需要分別向“國(guó)際空間站”運(yùn)送質(zhì)量達(dá)20t的貨物。其中，美國(guó)太空探索技術(shù)公司獲得了價(jià)值16億美元的合同，內(nèi)容是使用獵鷹－9火箭發(fā)射“龍”飛船，在肯尼迪航天中心執(zhí)行12次任務(wù)。

基本情況

獵鷹－9火箭是在美國(guó)太空探索技術(shù)公司獵鷹－1火箭的基礎(chǔ)上研制而成的，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是：研制出一種具備“改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭”（EELV）運(yùn)載能力的新型火箭，同時(shí)顯著地增加可靠性、降低成本，提升快速響應(yīng)能力。其設(shè)計(jì)理念包括簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、消除故障或?qū)⒐收献钚』取?/p>

獵鷹－9火箭有3種構(gòu)型：一種是安裝5.2m直徑整流罩，另一種是安裝“龍”飛船，還有一種是獵鷹－9重型運(yùn)載火箭（在第一種構(gòu)型的基礎(chǔ)上捆綁2臺(tái)液體助推器）。

獵鷹－9火箭能顯著地降低進(jìn)入太空的成本。安裝5.2m直徑整流罩的獵鷹－9火箭的發(fā)射費(fèi)用為5000萬(wàn)美元左右，可提供全套的發(fā)射服務(wù)，包括任務(wù)綜合費(fèi)用、發(fā)射場(chǎng)費(fèi)用和附加費(fèi)用。此外，獵鷹－9火箭還可執(zhí)行“一箭多星”發(fā)射任務(wù)。

一、二級(jí)分離

第一級(jí)著陸裝置展開(kāi)

第一級(jí)著陸

第二級(jí)再入

第二級(jí)著陸

四次發(fā)射

2010年6月4日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司的獵鷹－9運(yùn)載火箭從美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地首次發(fā)射升空，并于9.5min后將“龍”飛船的實(shí)體模型送入高度250km、傾角34.5°的預(yù)定軌道。這是美國(guó)“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”計(jì)劃下開(kāi)發(fā)的商業(yè)運(yùn)載火箭進(jìn)行的首次飛行試驗(yàn)。

2010年12月8日，獵鷹－9火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射了美國(guó)太空探索技術(shù)公司研制的“龍”飛船，這是獵鷹－9火箭第二次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。本次試驗(yàn)的目的是對(duì)“龍”飛船進(jìn)行首次驗(yàn)證飛行。作為輔助有效載荷，獵鷹－9火箭此次發(fā)射還搭載了8顆微衛(wèi)星，質(zhì)量均在幾千克以內(nèi)，它們分別隸屬于美國(guó)陸軍航天與導(dǎo)彈防御司令部、美國(guó)國(guó)家偵察辦公室、洛斯-阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等單位。

2012年5月22日，獵鷹－9火箭從卡拉維拉爾角發(fā)射場(chǎng)把美國(guó)太空探索技術(shù)公司研制的“龍”飛船第二次送入太空。10min后，“龍”飛船與火箭成功分離，并進(jìn)入預(yù)定軌道。本次“龍”飛船的任務(wù)包括與“國(guó)際空間站”的交會(huì)、捕獲、靠泊等作業(yè)，并在對(duì)接6天后離開(kāi)“國(guó)際空間站”返回了地球。

2012年10月8日，獵鷹－9火箭從卡拉維拉爾角發(fā)射場(chǎng)把美國(guó)太空探索技術(shù)公司研制的“龍”飛船第三次送入太空。不過(guò)發(fā)射中作為次級(jí)載荷的第2代“軌道通信”（Orbcomm）衛(wèi)星因火箭出現(xiàn)故障，未能進(jìn)入有效軌道。

2 獵鷹－9火箭方案

方案概述

獵鷹－9火箭包括重復(fù)使用的一級(jí)、二級(jí)火箭，第一級(jí)從亞軌道垂直返回，第二級(jí)再入時(shí)在熱防護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)下垂直返回。這兩級(jí)火箭不會(huì)像航天飛機(jī)那樣滑翔返回，而是垂直下落，最后靠4個(gè)支架逐漸下降。然后補(bǔ)充燃料和修復(fù)，并重新發(fā)射。

“蚱蜢”計(jì)劃

為了研發(fā)可重復(fù)使用獵鷹－9火箭，美國(guó)太空探索技術(shù)公司秘密實(shí)施了“蚱蜢”（Grasshopper）計(jì)劃，來(lái)驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)。2012年9月21日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司在得克薩斯州的測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行了第一跳測(cè)試。盡管這次測(cè)試只升空了1.83m，且不到3s，但是它是一系列測(cè)試活動(dòng)的開(kāi)始，目標(biāo)是讓升空的火箭級(jí)可以重復(fù)使用。幾個(gè)月內(nèi)，“蚱蜢”技術(shù)再次進(jìn)行測(cè)試，升空高度達(dá)到30m。

“蚱蜢”第一跳

“蚱蜢”由獵鷹－9火箭的第一級(jí)貯箱構(gòu)成，配有4個(gè)鋼著陸支架和一個(gè)鋼支撐結(jié)構(gòu)，完全可重復(fù)使用。正常入軌后，火箭和飛船分離，圓柱形火箭通過(guò)自制導(dǎo)返回地面，盤旋著垂直下降至發(fā)射臺(tái)并利用4個(gè)鋼支架著陸。這兩級(jí)火箭都是僅靠火箭動(dòng)力反推而不是用降落傘返回地球。太空探索技術(shù)公司計(jì)劃利用2～3年時(shí)間建造緊急逃生系統(tǒng)。該系統(tǒng)的逃生推進(jìn)器被固定在飛船太空艙的一邊，因此可以使用它有動(dòng)力著陸。

“蚱蜢”采用一臺(tái)灰背隼－1 D（Me r lin－1 D）發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為航空煤油和液氧，推力可達(dá)55338.224 k g，機(jī)體高32.3088 m，其中貯箱高25.908 m。第1次試飛高度為73.152 m，然后著陸，飛行時(shí)間45 s；第2次試飛高度為204.216m，然后著陸，時(shí)間仍是45s。此后的試飛高度依次提高，分別是365.76m、762m、1524m、2286m、 3505.2m，試驗(yàn)歷時(shí)將逐漸增加到160s。

3 垂直著陸可行性分析

獵鷹－9火箭的第一級(jí)與第二級(jí)均采用垂直著陸方式，這種返回著陸方式與麥道公司提出的“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”（DC－X）及其改進(jìn)型（DC－XA）方案相同。當(dāng)時(shí)，該方案成功中標(biāo)美國(guó)1990年8月提出的“單級(jí)入軌火箭技術(shù)計(jì)劃”（SSRTP）。

“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”是世界上第1個(gè)以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、垂直起降的完全重復(fù)使用運(yùn)載器。在麥道公司所進(jìn)行的12次“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”以及改進(jìn)型的飛行試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了最大飛行高度3155m，驗(yàn)證了單級(jí)火箭系統(tǒng)垂直起降、快速飛回和簡(jiǎn)化地面保障技術(shù)；驗(yàn)證了自適應(yīng)容錯(cuò)飛行控制系統(tǒng)、飛行期間發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力與安全關(guān)機(jī)能力、允許1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的能力；首次進(jìn)行了石墨/環(huán)氧復(fù)合材料液氫箱的飛行；實(shí)現(xiàn)了所有操作人員僅為12人；實(shí)現(xiàn)了快速重建，在改進(jìn)型“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”第2次和第3次飛行之間，改換軟件、制導(dǎo)增益和降落點(diǎn)只需要6h，制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的更換也只用了45min。“三角快帆”為未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制提供了豐富的技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造和操作經(jīng)驗(yàn)。

“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”采用由4個(gè)可伸縮的套筒式支桿組成的起落架系統(tǒng)。這種套筒式起落架可以在著陸時(shí)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后的沖量并提供安全的著陸間隙。著陸支桿中裝有提供發(fā)動(dòng)機(jī)熄火信號(hào)的傳感器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了在水泥平臺(tái)上正常著陸和利用降落傘在沙地應(yīng)急著陸兩種模式?！叭强旆痹囼?yàn)計(jì)劃由2組地面試驗(yàn)和3組飛行試驗(yàn)組成。改進(jìn)型“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”全稱是“三角快帆”先進(jìn)試驗(yàn)飛行器。它主要用于驗(yàn)證未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載器采用的諸如鋁鋰合金和復(fù)合材料液氧箱、復(fù)合材料液氫箱、低溫健康管理系統(tǒng)等技術(shù)。改進(jìn)型“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”共進(jìn)行了7次地面試驗(yàn)和4次飛行試驗(yàn)。在第4次飛行試驗(yàn)中被燒毀，原計(jì)劃進(jìn)行的第5次飛行試驗(yàn)也被取消，該項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃也隨之提前結(jié)束。“三角快帆試驗(yàn)機(jī)” 及其改進(jìn)型的12次飛行試驗(yàn)對(duì)運(yùn)載火箭垂直著陸技術(shù)進(jìn)行了充分驗(yàn)證，它表明完全可重復(fù)使用獵鷹－9火箭的垂直著陸已是可行的。

“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”示意圖

4 啟示

通過(guò)分析美國(guó)太空探索技術(shù)公司獵鷹－9火箭及其可重復(fù)使用方案后，可以得到以下啟示：第一，美國(guó)政府力推美國(guó)太空探索技術(shù)公司這樣的私營(yíng)商業(yè)航天企業(yè)，將很有可能改變未來(lái)全球航天事業(yè)的格局，特別是其商業(yè)模式一改過(guò)去舉國(guó)體制下“集中力量辦大事”的方式，也不同于少數(shù)幾家巨頭壟斷整個(gè)市場(chǎng)分享政府大訂單的傳統(tǒng)模式，其長(zhǎng)遠(yuǎn)影響可能是顛覆性的。第二，航天發(fā)射技術(shù)已逐漸成熟，技術(shù)門檻和資金門檻日益降低，全球發(fā)射市場(chǎng)對(duì)高可靠性、低成本商業(yè)運(yùn)載工具的需求愈加強(qiáng)烈，完全可重復(fù)使用是降低一次性運(yùn)載火箭發(fā)射成本的最有效的途徑，也是航天運(yùn)輸系統(tǒng)必然的發(fā)展趨勢(shì)。第三，運(yùn)載火箭垂直著陸的可重復(fù)使用方案已在國(guó)外經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，我國(guó)的載人飛船也是采用垂直著陸方式，因此，研究垂直著陸的可重復(fù)使用技術(shù)有重要意義。