重型獵鷹發(fā)射升空

提起埃隆·馬斯克，首先想到的特斯拉汽車，因為正是憑借這型消費級的產品馬斯克才得以名揚海內外。2018年2月6日，在美國佛羅里達州肯尼迪航天中心，一輛櫻桃紅2018款特斯拉Roadster跑車搭乘一枚火箭飛入了地球與火星之間的環(huán)日軌道上，成為一枚人造小行星，而搭載特斯拉汽車的是馬斯克領導的另一家公司SpaceX傾力打造的“重型獵鷹”火箭（Falcon Heavy，簡稱FH）。

櫻桃紅2018款特斯拉Roadster跑車

“重型獵鷹”火箭是SpaceX公司研發(fā)的一型重型火箭，用于執(zhí)行深空探測任務，探索火星等地外行星，支持馬斯克龐大的火星移民計劃。在世界重型火箭家族當中，“重型獵鷹”不僅是一型在體量上遙遙領先的火箭，還采用了眾多先進的火箭設計和技術，是一型先進而獨特的火箭。

強大推力來自多臺發(fā)動機的組合

“重型獵鷹”一級火箭采用三芯并聯(lián)布局，用芯級火箭作為助推器，每臺芯級火箭配備9臺梅林1D+發(fā)動機發(fā)動機，采用同心圓布局，中間1臺外圈圓環(huán)8臺，三芯并聯(lián)總計27臺火箭發(fā)動機，是世界現(xiàn)役發(fā)動機數(shù)量最多的火箭。多發(fā)動機組合歷史上并不多見，曾經(jīng)N-1火箭一子級采用了30臺發(fā)動機，但其所有4次發(fā)射均未成功?！爸匦瞳C鷹”火箭采用多發(fā)動機組合需要解決耦合振動、火箭推重比下降、系統(tǒng)可靠性降低等方面的問題，體現(xiàn)了該型火箭在設備整合上所具備的水平。

在27臺梅林1D+發(fā)動機的共同作用下，“重型獵鷹”一級火箭的最大推力可達2282噸，真空推力2468噸，遠遠超過世界現(xiàn)役其他火箭。

應用動力冗余技術，提升火箭飛行安全性

火箭發(fā)動機故障是很多航天任務發(fā)射失敗的主要原因，針對這個問題，“重型獵鷹”采用了動力冗余技術，在其主動段飛行過程中，在部分發(fā)動機出現(xiàn)故障時，箭載控制系統(tǒng)對故障發(fā)動機實施緊急關機、故障隔離，并控制其余發(fā)動機繼續(xù)完成發(fā)射任務。動力冗余技術研發(fā)難度較高，包含動力系統(tǒng)故障診斷隔離技術、彈道在線規(guī)劃與重構等兩項關鍵技術。動力冗余技術應用能顯著提升火箭飛行的穩(wěn)定性與安全性，具有較強的借鑒意義。

新材料箭體，提升有效載荷

“重型獵鷹”火箭采用了新型輕質箭體結構技術，液氧箱采用鋁鋰合金殼體構造技術，在確保安全的同時降低結構重量，燃料箱利用箱壁桁條與環(huán)形結構設計，可增強承載能力。“重型獵鷹”的整流罩、助推火箭頭錐采用復合材料，可顯著降低箭體重量。采用了新型材料的“重型獵鷹”，箭體在保證結構強度的同時降低了重量，將顯著提升火箭的有效載荷。

“重型獵鷹”首次發(fā)射

采用火箭回收技術，節(jié)約發(fā)射成本

SpaceX不是最早開創(chuàng)火箭回收技術的主體，但卻最早進行了大規(guī)模應用，先期成功率并不高，隨著技術的成熟已經(jīng)可以做到在大部分時候對火箭部件進行成功回收。由SpaceX出品的“重型獵鷹”也采用了火箭回收技術，三芯并聯(lián)的一級火箭裝有柵格舵，可用于輔助箭體再入過程中姿態(tài)的穩(wěn)定控制，并控制反沖噴射用于減速。各個通用芯級配備了四足著陸支架，在火箭上升段及再入過程中收于箭體中，并在落地之前展開。支架由液壓裝置控制收放，并在展開后進行鎖定。該支架主要由碳纖維及鋁合金蜂窩板構成，重量輕強度大。此外，支架還帶有液壓減震器，可緩解垂直著陸帶來的巨大沖擊。

“重型獵鷹”主要對三芯并聯(lián)一級火箭及整流罩進行回收操作，對于回收的箭體部分，在沒有損壞的情況下進行重復利用，可有效降低發(fā)射成本（獵鷹9號的單發(fā)成本降到了5000萬美元）。

應用發(fā)動機節(jié)流推進技術

“重型獵鷹”運載火箭利用一、二級發(fā)動機的節(jié)流變推力能力，使得一級助推器分離時芯一級留存較多的推進劑，可延長芯一級飛行時間、提升火箭運力。

牽制釋放技術與箭體冷分離

“重型獵鷹”運載火箭采用了牽制釋放技術，在火箭發(fā)射前通過集成在發(fā)射臺的牽制釋放系統(tǒng)牽制住箭體，同時讓火箭發(fā)動機進行低工況工作，對發(fā)動機主要參數(shù)進行采集和評估分析，快速判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)，進而提升火箭發(fā)射的可靠性。“重型獵鷹”火箭的助推器分離及一二級火箭分離均采用的“冷分離”模式（主要為冷氮噴射或機械式推桿），其相較于傳統(tǒng)的爆炸式“熱分離”，這種分離可消除對艦體的損害。

全球現(xiàn)役運力最強火箭

“重型獵鷹”火箭高70米，芯級加助推器寬12.2米，整箭重1420.8噸，一級火箭最大推力2280噸，二級火箭真空推力95.3噸。在強大的推力基礎之上，“重型獵鷹”近地軌道（LEO）運力63.8噸（僅次于當年執(zhí)行阿波羅計劃的“巨無霸”土星五號重型運載火箭（140噸）），地球同步轉移軌道（GTO）運力26.7 噸，地火轉移軌道（TMI）運力16.8 噸。對比世界其他現(xiàn)役重型火箭（“重型獵鷹”之外運力最強火箭是德爾塔4，LEO28.79噸，GTO14.22噸），“重型獵鷹”無論在推力還是運力方面都遙遙領先，是名副其實的世界現(xiàn)役最強火箭。

“重型獵鷹”的出現(xiàn)，不僅體現(xiàn)了SpaceX具備強大的技術研發(fā)實力，也體現(xiàn)了其背后的美國擁有全球領先的航天技術。自奧巴馬政府開始，美國逐漸放開私營企業(yè)開展航天業(yè)務，SpaceX乘著政策的東風，也擁有馬斯克這位杰出的領導者，再依靠政府這棵大樹，成功開發(fā)出了以“重型獵鷹”為代表的航天產品。

在2018年2月執(zhí)行了首飛發(fā)射特斯拉的任務后，“重型獵鷹”在2019年4月11日執(zhí)行了其第二次發(fā)射任務，將“阿拉伯星”（Arabsat）6A型通信衛(wèi)星運送到了地球軌道。雖然“重型獵鷹”采用了眾多的先進技術和設計，但是發(fā)射次數(shù)較少還不足以檢驗它的成熟度和穩(wěn)定性，其強大能力還需要更多的實踐去證明。

作者：大白高國

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