猎鹰9号火箭：开创人类航天新篇章

航空

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
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，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
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2020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
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，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2F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“长征”2/3/4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
“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”9HLV将超越研制中的长征5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，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R-7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-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V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，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。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3台，很明显极大地简化了设计。这对于增加发射可靠性、降低发射费用都有非常积极的意义。
窥视登月发射任务
SpaceX的最终目的是研制出5.2米芯级，但后捆绑上多达6个“猎鹰”9的CBC模块，并且在上面级上也采用“格里芬”的衍生型，LEO运力达到75吨，虽然比不上“土星”V、N-1、“能源”、“战神”V这些变态。同时由于芯级直径足够大，可以直接采用星座计划为登月研制的“战神”V运载火箭的载荷整流罩。SpaceX希望能够在进入2020年代之前就获得这种“次重量级”运载火箭，以应对探月等需要大运力的宇航任务。

美国政府推动SpaceX这样的企业冒尖，将很有可能改变未来全球航天事业的格局，特别是其商业模式一改过去举国体制下“集中力量办大事”，也不同于少数几家巨头垄断整个市场分享政府大订单的传统模式，其长远影响可能是颠覆性。