世界最強(qiáng)火箭重型獵鷹火箭發(fā)射成功還在PCB上加了意外驚喜

昨天，在美國佛羅里達(dá)，卡納維拉爾角LC-39A工位，重型獵鷹火箭首飛發(fā)射成功。它的第一子級(jí)由3枚“獵鷹-9”火箭通用芯級(jí)捆綁構(gòu)成，近地軌道（LEO）運(yùn)載能力為63.8噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)載能力為26.7噸，地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為16.8噸，毫無爭議的成為現(xiàn)役火箭之王。

現(xiàn)在，重溫一下關(guān)鍵的畫面。

最后一張照片是兩枚助推器徐徐降落的場(chǎng)景，雖然第一級(jí)的主火箭沒有回來，但是能同時(shí)回收兩枚火箭，這真是航空技術(shù)的一個(gè)大跨步。

隨著火箭上天的是一輛Roadster 跑車，SpaceX公司老板埃隆馬斯克的另一杰作。馬斯克在這輛跑車的PCB板上留下了一句話：“Made on earth by humans”。希望這輛車不要被外星人發(fā)現(xiàn)。

愛好冷幽默的馬斯克還在汽車的中控屏上打出了Don't panic！不要驚慌！

不走尋常路的獵鷹

重型火箭并不罕見，不要說時(shí)間久遠(yuǎn)的美國土星五號(hào)和蘇聯(lián)N-1，目前美國SLS火箭已研制多年并將于2019年首飛，中國也計(jì)劃研制重型火箭。不過重型獵鷹的確是與眾不同的，一般來說，研制重型火箭都不惜血本，比如土星五號(hào)單價(jià)有媲美航母造價(jià)的奢侈，但重型獵鷹火箭卻不按牌理出牌得讓人嗔目結(jié)舌：它的發(fā)射報(bào)價(jià)只有9000萬美元！不是9億美元，只有9000萬美元！這是什么概念？它比主流的歐洲阿里安5、日本H-IIA、美國宇宙神5和德爾塔4都要便宜，50噸以上運(yùn)力的重型火箭，價(jià)錢比20噸級(jí)的大型火箭還便宜，真是讓人大跌眼鏡。

圖 人類歷史上的最強(qiáng)四大火箭

重型獵鷹的上天之路極不平坦，項(xiàng)目執(zhí)行過程中曾多次要取消，還再三地推遲發(fā)射日期。更為重要的是，它的研發(fā)之路要克服很多技術(shù)偏見和挑戰(zhàn)。

重型獵鷹采用了27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種多發(fā)并聯(lián)的技術(shù)，在很多人眼中是不靠譜的。因?yàn)楫?dāng)年的蘇聯(lián)N1火箭，第一級(jí)就采用了30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火以后，成了一場(chǎng)煙花秀。

因此，很多人認(rèn)為火箭的多發(fā)并聯(lián)是條邪路，單臺(tái)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)才是正道，重型獵鷹一級(jí)多達(dá)27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，自然不被看好。

馬斯克和SpaceX團(tuán)隊(duì)不信這個(gè)邪，他們認(rèn)為多發(fā)并聯(lián)火箭可靠性更高。

一方面，“獵鷹重型”運(yùn)載火箭通過模塊化設(shè)計(jì)以及提高單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性來提升火箭的整體可靠性?！矮C鷹重型”運(yùn)載火箭一子級(jí)所采用的3個(gè)通用芯級(jí)，實(shí)際上將27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)劃分為3個(gè)模塊，每個(gè)模塊只包含9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種模塊化的多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)組合設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和難度，要比N-1火箭將30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)集中于同一個(gè)模塊上小得多。同時(shí)，“獵鷹重型”運(yùn)載火箭一、二子級(jí)各臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了三套箭載計(jì)算機(jī)熱備份，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)冗余，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)控制可靠性；其一子級(jí)的Merlin-1D+發(fā)動(dòng)機(jī)采用了液氧煤油組合燃料和開式循環(huán)燃燒工藝，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過數(shù)次改進(jìn)后可靠性已達(dá)較高水平；按SpaceX公司曾披露Merlin-1D+發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)失效概率不超過0.05%計(jì)算，該發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)可靠性可高達(dá)0.9995。

另一方面，“獵鷹重型”運(yùn)載火箭采用的動(dòng)力冗余技術(shù)可有效提高火箭的整體可靠性。“獵鷹-9”運(yùn)載火箭一子級(jí)芯級(jí)具備1~2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效冗余能力?；诩夹g(shù)延續(xù)性進(jìn)行判斷，“獵鷹重型”運(yùn)載火箭也具備在一子級(jí)1臺(tái)或多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，在運(yùn)載能力雖有下降但仍能滿足任務(wù)載荷要求的條件下，繼續(xù)飛行并最終實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的能力。動(dòng)力冗余設(shè)計(jì)使得“獵鷹重型”運(yùn)載火箭的可靠性顯然要高于不具備動(dòng)力冗余能力、1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效就會(huì)引發(fā)整個(gè)任務(wù)失敗的運(yùn)載火箭的可靠性。

同時(shí)，重型獵鷹火箭運(yùn)載系數(shù)極高，但卻沒有使用高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)，而是挑戰(zhàn)了火箭減重的技術(shù)和工藝極限。

傳統(tǒng)火箭設(shè)計(jì)中，世界各國為了提高火箭性能絞盡腦汁，提高運(yùn)載系數(shù)（指載荷質(zhì)量占火箭總質(zhì)量的比例）的主要辦法是使用高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)，畢竟齊奧爾科夫斯基公式中，提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖將帶來性能指數(shù)級(jí)的提高，而減輕火箭結(jié)構(gòu)重量效果就差多了。有資料顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)比沖提高7%，兩級(jí)半火箭的運(yùn)載系數(shù)提高30%，因此各家不惜重金研制高比沖的高壓補(bǔ)燃閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，還不怕危險(xiǎn)和麻煩使用液氧液氫推進(jìn)劑。

全液氧液氫的重型德爾塔4火箭的運(yùn)載系數(shù)高達(dá)3.9%，對(duì)其他火箭形成碾壓之勢(shì)，不過面對(duì)重型獵鷹火箭卻要自愧不如了，重型獵鷹火箭起飛重量1421噸，運(yùn)載系數(shù)高達(dá)4.49%！重型獵鷹完全靠超高推重比的發(fā)動(dòng)機(jī)和超輕的火箭儲(chǔ)箱實(shí)現(xiàn)了這樣的高性能，它的Merlin 1D+發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比已經(jīng)達(dá)到了188，而推重比世界排名第二的NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)只有136而已，重型獵鷹火箭的鋁鋰合金超輕共底儲(chǔ)箱貢獻(xiàn)更大，第一級(jí)火箭干質(zhì)比接近30，第二級(jí)也超過20。雖然降低結(jié)構(gòu)重量的效果不如提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖，但重型獵鷹火箭的箭體實(shí)在太輕了，有計(jì)算發(fā)現(xiàn)，獵鷹火箭第一級(jí)加上整流罩都能直接發(fā)射入軌，重型獵鷹火箭運(yùn)載系數(shù)超越全氫氧的重型德爾塔4火箭，是挑戰(zhàn)火箭制造技術(shù)極限的結(jié)果，讓人震驚卻在情理之中。

SpaceX公司的最大殺手锏就是可重復(fù)使用技術(shù)。具體到“獵鷹重型”運(yùn)載火箭上，它的一子級(jí)各個(gè)通用芯級(jí)均安裝有柵格舵，可用于輔助箭體再入過程中姿態(tài)穩(wěn)定控制，并提供一定的氣動(dòng)阻力用于減速。各個(gè)通用芯級(jí)的著陸裝置為四個(gè)支腿，在火箭發(fā)射后的上升段及再入過程中收攏于箭體，當(dāng)火箭一子級(jí)減速即將著陸于地面或海上平臺(tái)之前展開；支腿由液壓裝置執(zhí)行收攏展開，并具有展開后鎖死的能力；支腿主要由碳纖維及鋁合金蜂窩板構(gòu)成，輕質(zhì)且能滿足載重需求；支腿帶有液壓減震器，可進(jìn)一步減緩垂直著陸帶來的巨大沖擊。

“獵鷹重型”運(yùn)載火箭的一子級(jí)助推器分離和一二級(jí)分離均采用了可重復(fù)使用的“冷分離”機(jī)構(gòu)。“冷分離”機(jī)構(gòu)不使用火工品，以高壓冷氣噴射作為動(dòng)力源，采用機(jī)械式推桿執(zhí)行分離動(dòng)作，不會(huì)對(duì)箭體造成損毀。一子級(jí)助推器分離時(shí)，分離面位于助推側(cè)，機(jī)械推桿位于芯級(jí)側(cè)，機(jī)械推桿在分離后回縮以減小損壞概率。

“獵鷹重型”運(yùn)載火箭的一、二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)都進(jìn)行了可重復(fù)使用設(shè)計(jì)。目前回收的“獵鷹-9”火箭損毀最嚴(yán)重的子級(jí)模塊已在試車臺(tái)上完成10次全程試車，動(dòng)力系統(tǒng)均正常工作，表明Merlin-1D+發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用次數(shù)經(jīng)考核已達(dá)到10次。

對(duì)于中國來說，Don't panic！

看到獵鷹上天的新聞，很多人認(rèn)為中國的航天技術(shù)落后了。差距確實(shí)有，但是不必慌張。航天是一個(gè)沒有盡頭的技術(shù)之旅，你追我趕是很正常的。

SpaceX最大的貢獻(xiàn)是開啟了民用航天的大門，讓這項(xiàng)技術(shù)不再是大國政府手中的玩物。這不，中國的民營企業(yè)也開始參與到這項(xiàng)事業(yè)中了。

1 月 15 日，國內(nèi)首家 “ 民營火箭 ” 制造研發(fā)公司零壹空間正式宣布完成最新 A+ 輪融資，領(lǐng)投方為前海梧桐并購基金，鴻泰基金、招商局創(chuàng)投、前海萬得、正軒投資、通江資本等跟投。至此，零壹空間從 2015 年 8 月成立至今，已累計(jì)獲得 5 億元融資。

零壹空間自主研制的 OS-X 系列火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已于 2017 年 12 月 22 日成功完成整機(jī)試車，目前已進(jìn)入全箭調(diào)試測(cè)試階段，預(yù)計(jì)在今年的 6 月份首飛，OS-M 系列火箭也將于今年年底前后首飛。

可以預(yù)見，不久的將來，由中國的優(yōu)秀商業(yè)公司研發(fā)的航天器也將出現(xiàn)在浩瀚的太空中。