世界最强火箭重型猎鹰火箭发射成功还在PCB上加了意外惊喜

昨天，在美国佛罗里达，卡纳维拉尔角LC-39A工位，重型猎鹰火箭首飞发射成功。它的第一子级由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，毫无争议的成为现役火箭之王。

现在，重温一下关键的画面。

最后一张照片是两枚助推器徐徐降落的场景，虽然第一级的主火箭没有回来，但是能同时回收两枚火箭，这真是航空技术的一个大跨步。

随着火箭上天的是一辆Roadster 跑车，SpaceX公司老板埃隆马斯克的另一杰作。马斯克在这辆跑车的PCB板上留下了一句话：“Made on earth by humans”。希望这辆车不要被外星人发现。

爱好冷幽默的马斯克还在汽车的中控屏上打出了Don't panic！不要惊慌！

不走寻常路的猎鹰

重型火箭并不罕见，不要说时间久远的美国土星五号和苏联N-1，目前美国SLS火箭已研制多年并将于2019年首飞，中国也计划研制重型火箭。不过重型猎鹰的确是与众不同的，一般来说，研制重型火箭都不惜血本，比如土星五号单价有媲美航母造价的奢侈，但重型猎鹰火箭却不按牌理出牌得让人嗔目结舌：它的发射报价只有9000万美元！不是9亿美元，只有9000万美元！这是什么概念？它比主流的欧洲阿里安5、日本H-IIA、美国宇宙神5和德尔塔4都要便宜，50吨以上运力的重型火箭，价钱比20吨级的大型火箭还便宜，真是让人大跌眼镜。

图 人类历史上的最强四大火箭

重型猎鹰的上天之路极不平坦，项目执行过程中曾多次要取消，还再三地推迟发射日期。更为重要的是，它的研发之路要克服很多技术偏见和挑战。

重型猎鹰采用了27台发动机，这种多发并联的技术，在很多人眼中是不靠谱的。因为当年的苏联N1火箭，第一级就采用了30台发动机，点火以后，成了一场烟花秀。

因此，很多人认为火箭的多发并联是条邪路，单台大推力发动机才是正道，重型猎鹰一级多达27台发动机的设计，自然不被看好。

马斯克和SpaceX团队不信这个邪，他们认为多发并联火箭可靠性更高。

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。

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。

同时，重型猎鹰火箭运载系数极高，但却没有使用高比冲发动机，而是挑战了火箭减重的技术和工艺极限。

传统火箭设计中，世界各国为了提高火箭性能绞尽脑汁，提高运载系数（指载荷质量占火箭总质量的比例）的主要办法是使用高比冲发动机，毕竟齐奥尔科夫斯基公式中，提高发动机比冲将带来性能指数级的提高，而减轻火箭结构重量效果就差多了。有资料显示，发动机比冲提高7%，两级半火箭的运载系数提高30%，因此各家不惜重金研制高比冲的高压补燃闭式循环发动机，还不怕危险和麻烦使用液氧液氢推进剂。

全液氧液氢的重型德尔塔4火箭的运载系数高达3.9%，对其他火箭形成碾压之势，不过面对重型猎鹰火箭却要自愧不如了，重型猎鹰火箭起飞重量1421吨，运载系数高达4.49%！重型猎鹰完全靠超高推重比的发动机和超轻的火箭储箱实现了这样的高性能，它的Merlin 1D+发动机的推重比已经达到了188，而推重比世界排名第二的NK-33发动机只有136而已，重型猎鹰火箭的铝锂合金超轻共底储箱贡献更大，第一级火箭干质比接近30，第二级也超过20。虽然降低结构重量的效果不如提高发动机比冲，但重型猎鹰火箭的箭体实在太轻了，有计算发现，猎鹰火箭第一级加上整流罩都能直接发射入轨，重型猎鹰火箭运载系数超越全氢氧的重型德尔塔4火箭，是挑战火箭制造技术极限的结果，让人震惊却在情理之中。

SpaceX公司的最大杀手锏就是可重复使用技术。具体到“猎鹰重型”运载火箭上，它的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。

对于中国来说，Don't panic！

看到猎鹰上天的新闻，很多人认为中国的航天技术落后了。差距确实有，但是不必慌张。航天是一个没有尽头的技术之旅，你追我赶是很正常的。

SpaceX最大的贡献是开启了民用航天的大门，让这项技术不再是大国政府手中的玩物。这不，中国的民营企业也开始参与到这项事业中了。

1 月 15 日，国内首家 “ 民营火箭 ” 制造研发公司零壹空间正式宣布完成最新 A+ 轮融资，领投方为前海梧桐并购基金，鸿泰基金、招商局创投、前海万得、正轩投资、通江资本等跟投。至此，零壹空间从 2015 年 8 月成立至今，已累计获得 5 亿元融资。

零壹空间自主研制的 OS-X 系列火箭发动机已于 2017 年 12 月 22 日成功完成整机试车，目前已进入全箭调试测试阶段，预计在今年的 6 月份首飞，OS-M 系列火箭也将于今年年底前后首飞。

可以预见，不久的将来，由中国的优秀商业公司研发的航天器也将出现在浩瀚的太空中。