基本介紹
- 中文名：“獵鷹重型”運載火箭
- 外文名：Falcon Heavy
- 研製國家：美國
- 研製公司：美國太空探索技術公司
- 火箭類型：液體燃料運載火箭
- 首飛時間：2018年2月6日
- 前型級：獵鷹9號
- 首飛地點：美國甘迺迪航天中心
研製歷程,歷史背景,研製進程,後續規劃,系統組成,總體設計,箭體結構,發動機,任務規劃,設計參數,發射動態,發射任務,發射記錄,技術創新,多發動機,動力冗餘,動力節流,火箭回收,不同構型,多項突破,總體評價,
研製歷程
歷史背景
太空探索技術公司是由美國億萬富翁埃隆·馬斯克（Elon Musk）於2002年創建，借創業精神融入到航天探索當中去，而在此之前，美國航天發射活動幾乎完全由政府機構控制。埃隆·馬斯克是線上支付系統PayPal的創始人，他消除官方機構的嚴謹程式，加快實施速度和減少成本，宣稱將火箭發射的成本降至傳統方法的十分之一。太空探索技術公司主要設計、測試和製造航天運載系統內部部件，如Merlin、Kestrel和Draco火箭發動機。該公司開發了可部分重複使用的“獵鷹1號”和“獵鷹9號”運載火箭，同時開發的Dragon系列太空飛行器由“獵鷹9號”發射到軌道。
美國太空技術探索公司研製的“獵鷹9號”各型火箭
研製進程
2008年，太空探索技術公司獲得美國航空航天局（NASA）正式契約。
2012年10月，太空探索技術公司龍飛船將貨物送到國際空間站，開啟私營航天的新時代。作為私營航空公司，太空探索技術公司發射費用低廉成為公司一大優勢，為了進一步降低成本，馬斯克考慮將火箭做成可回收的。馬斯克表示：“傳統的運載火箭是一次性使用的，在發射後墜回地面，或在大氣層中燃燒殆盡，往往只剩下一些金屬殘片。而垂直起降的運載火箭在落回地面後，只要稍加修復，重新加注燃料就可再次發射，大大降低了發射成本。”
2014年10月，太空探索技術公司宣布，該公司的“草蜢”火箭在月初的試驗中創造了一項新紀錄：火箭由發射台點火後飛到744米的空中，然後又垂直降落回發射台。該公司公布了7日進行的試驗視頻，整個試驗過程持續78.8秒，火箭降回地面後外觀完好。與傳統運載火箭相比，“草蜢”外形上最大的不同是帶有四條鋼鋁結構的“腿”，帶有液壓減震器。這四條“腿”使火箭能抵禦垂直落回地面的巨大衝擊而不致嚴重損壞。太空探索技術公司指出，“草蜢”的試驗是這家企業研發垂直起降、完全可重複使用運載火箭的“關鍵一步”。該公司在開發其“獵鷹9號”運載火箭的可重複使用版本。
2014年9月底的一次發射中，成功回收“獵鷹9號”的部分一級火箭。“獵鷹9號”第一級就比“獵鷹1號”大許多，使用9台梅林發動機。
美國太空技術探索公司在“獵鷹9號”運載火箭的基礎上，研製“獵鷹重型”運載火箭，“獵鷹重型”火箭的第一級由3枚“獵鷹9號”的一級火箭捆綁而成。
2018年2月6日，“獵鷹重型”運載火箭從美國佛羅里達州甘迺迪航天中心第一次成功發射升空。
包括“獵鷹重型”的各國重型火箭同比示意圖
後續規劃
“獵鷹重型”從一開始就按照載人標準設計，有潛力將太空人送上月球甚至火星。但馬斯克已明確表示，利用“獵鷹重型”發射“龍”載人飛船的計畫已基本擱置，這個任務將交給“大獵鷹火箭”完成，“大獵鷹火箭”將是太空探索技術公司的攻關重點。只有“大獵鷹火箭”研製受挫，才可能重新考慮利用“獵鷹重型”載人。
據太空探索技術公司介紹，“大獵鷹火箭”近地軌道運力達150噸，堪稱史上最強大。更有意思的是，火箭最終將以每秒7.5千米的速度進入火星大氣並減速著陸。按照該公司的願景，該新火箭將在2022年執行火星貨運任務，2024年執行火星載人任務。
另據美國媒體報導，與“獵鷹重型”使用的梅林發動機不同的是，“大獵鷹火箭”將採用太空探索技術公司為探索和移民火星專門研製的猛禽發動機，而且火箭第一級就使用31台，其推力是梅林發動機的兩到三倍，完全可重複使用，號稱可大幅降低太空飛行成本。
馬斯克說：“大獵鷹火箭”將是“實現星際移民，在月球建立大型基地及在火星建城市的理想選擇……時間表極具雄心。”
“獵鷹重型”運載火箭
系統組成
總體設計
“獵鷹重型”火箭全長70米，最大直徑12.2米，起飛質量1420噸，每次重複使用第一級火箭的發射價格為9000萬美元，一次性使用第一級火箭的發射價格為1.5億美元，研發成本5億多美元。該火箭採用兩級半構型，是世界現役運載火箭中運載能力最大、史上最經濟的“通天塔”。
“獵鷹重型”是在美國太空探索技術公司已大量成功發射的獵鷹9號火箭基礎上，在芯一級捆綁了兩枚大型助推器，而這兩枚大型助推器其實就是與芯一級一模一樣的火箭，即“獵鷹重型”的第一級是由3枚相同的火箭並聯而成的，每枚上面裝有9台發動機，發射時共有27台發動機同時點火。
為了使助推器與芯一級可靠連線，在助推器上分別加裝了鼻錐和前、後安裝點及冷分離機構，即在芯一級貯箱底部和頂部同芯一級火箭連線和分離。為了承受發射的額外應力，重新設計了芯一級的結構，增加了其強度。
“獵鷹重型”火箭作為一型可重複使用的重型運載火箭，可將54噸有效載荷送入軌道，約等於一架滿載的波音737飛機。
火箭第一級含3枚“獵鷹9”火箭芯，共有27個引擎，發射時能產生約227萬千克的推力，是自20世紀60年代“土星5號”登月火箭以來運載能力最強的火箭。
“獵鷹重型”火箭最明顯的特徵就是在芯一級周圍捆綁了兩個龐大的助推器。通過助推器的推力“加持”，“獵鷹重型”火箭向國際空間站、神舟飛船等飛行器所在的近地軌道的發射能力達到了63.8噸，約是獵鷹9號火箭全推力版的3倍、太空梭的2倍。同時，其向通信衛星使用的地球同步轉移軌道發射載荷的能力提高到26.7噸，向火星發射載荷的能力為16.8噸，向太陽系邊緣的冥王星發射載荷的能力也有3.5噸。
箭體結構
“獵鷹重型”運載火箭採用了新型輕質箭體結構技術，氧箱利用鋁鋰合金殼體橫造技術既能保證安全又可大幅降低結構重量，燃料箱利用箱壁桁條以及環形結構設計增加其承載能力。整流罩、助推頭錐採用的複合材料，確保了質量最輕。該火箭還按照NASA載人發射標準進行了結構安全裕度設計。與其它火箭採用25%的結構安全裕度不同，“獵鷹重型”火箭是按比飛行載荷高出40%的結構安全裕度來設計的。儘管結構安全裕度高於其它火箭，但“獵鷹”重型運載火箭火箭捆綁助推器的重量比高達30，優於史上任何火箭。
除此之外，例如重型獵鷹火箭的助推器分離和一二級分離均採用的無損式“冷分離”模式（主要為冷氮噴射或機械式推桿）也是一大亮點，其相較於更為傳統的爆炸式“熱分離”無疑會更具優勢，SpaceX 所進行的數十次冷分離操作無一失敗，證明足以被其他人借鑑套用。
“獵鷹重型”運載火箭
發動機
“獵鷹重型”運載火箭採用的梅林火箭發動機，是太空探索技術公司開發的一系列火箭發動機，用於獵鷹1號、獵鷹9號和獵鷹重型運載火箭。
梅林發動機在氣體發生器動力循環中使用RP-1和液氧作為火箭推進劑。梅林發動機最初是為回收和重複使用而設計的。
“獵鷹重型”是在獵鷹9號的基礎上發展而來的，第一級是由3枚獵鷹9號火箭第一級捆綁而成，但這次發射所用的芯一級和兩枚助推器都採用了太空探索技術公司新研製的獵鷹9號 B5型火箭（箭體是新的，部分發動機以及助推器頭錐是復用的）。它們每個直徑都為3.7米，各裝了9台梅林-1D發動機，推進劑都採用液氧/煤油，並聯後的最大寬度為12.2米。
其第二級與獵鷹9號的第二級一樣，裝有1台梅林-真空發動機，也採用液氧/煤油作為推進劑，且與梅林-1D發動機類似，真空推力為95噸，但具備多次點火能力，從而大大增強了其對於任務的適應能力。
“獵鷹重型”運載火箭第一級地面推力：2282噸；真空推力：2468噸；火箭第二級真空推力：90噸。
任務規劃
“獵鷹重型”運載火箭未來主要的套用市場是發射大型國家安全載荷（可將載荷直接送入地球同步軌道）、載人登月飛船和行星資源開發及大型科學載荷等。
“獵鷹重型”火箭從一開始就按照載人標準設計，具有執行載人發射任務的潛力。
據2020年美國太空技術探索公司官網資料數據顯示，“獵鷹重型”運載火箭單次發射價格為9000萬美元。
設計參數
項目 | 參數 | |
|---|---|---|
火箭高度（米） | 70 | |
整流罩直徑（米） | 5.2（B5型） | |
起飛質量（噸） | 1420 | |
芯一級直徑（米） | 12.2 | |
助推器直徑（米） | 3.66 | |
火箭級數 | 2.5 | |
發射載荷能力 | LEO近地軌道（噸） | 63.8 |
GTO地球同步轉移軌道（噸） | 26.7 | |
向火星發射（噸） | 16.8 | |
道向太陽系邊緣的冥王星發射（噸） | 3.5 | |
發射動態
發射任務
- 首次發射
2018年2月6日，“獵鷹重型”運載火箭從美國佛羅里達州甘迺迪航天中心發射升空，作為該火箭第一次成功發射並帶著一輛特斯拉跑車飛向火星。2月7日報導，新型重型獵鷹火箭的中央助推器著陸時摔成碎片。助推器上三個引擎只有一個起了作用，導致助推器以480千米/小時的速度落入水中。同時，按原計畫，助推器本應著陸在大西洋的一個浮動平台上。另外兩個（側面）助推器在距離佛羅里達州卡納維拉爾角航天發射場不遠處同步著陸。
- 再次發射
當地時間2019年4月11日18時35分（台北時間12日6時35分），“獵鷹重型”B5型運載火箭從美國佛羅里達州甘迺迪航天中心騰空而起，該火箭的第二次發射，也是成功進行的首次商業發射。“獵鷹重型”火箭不僅把發射質量達6.46噸的阿拉伯-6A通信衛星送入了太空，而且第一次實現了同時回收該火箭的芯一級和所捆綁的兩枚助推器。但芯一級在海上平台成功著陸後，因海浪太大，且沒固定好而傾倒，據悉只有其上的發動機經修理後才能再次使用。
- 一箭24星
2019年6月25日2時30分（台北時間25日14時30分），“獵鷹重型”B5型運載火箭在夜幕下從美國佛羅里達州甘迺迪航天中心騰空而起，是該火箭的第三次發射。“獵鷹重型”火箭該次發射有多重任務，將24顆衛星送入3個不同軌道。除了執行美國空軍的“太空測試項目2”任務，還要將美國航天局的“深空原子鐘”等設備送入太空。這種烤麵包機大小的原子鐘未來有望安裝在宇宙飛船或衛星上，可為深空旅行時的導航提供幫助。“獵鷹重型”該次搭載的24顆衛星中，還包括一顆特殊的“太空喪葬”服務衛星。該衛星裝有152名逝者的部分骨灰，這些骨灰被分別裝入硬幣狀或者圓柱狀的金屬容器內，每個容器能容納約1~7克骨灰。它們被固定在衛星上，將繞地球飛行約25年，期間軌道高度逐步降低，最後像流星那樣墜入大氣層中焚毀。
根據計畫，“獵鷹重型”火箭的兩個助推器將降落在卡納維拉爾角空軍基地，而芯級推進器則降落在遠離美國海岸的大西洋深處的一艘無人船上。“獵鷹重型”升空後不久，率先脫離的兩個助推器成功降落在卡納維拉爾角，標誌著“獵鷹重型”助推器的首次重複使用——它們曾在4月的發射中使用過。但芯級推進器的回收遭遇失敗，它在著陸前發生爆炸，未能降落在無人船上。此外SpaceX公司在這次發射後還實現了對整流罩的回收——回收船在海水中撈回了部分整流罩。
“獵鷹重型”火箭發射
- 後續發射
2022年11月2日《華爾街日報》報導，Space Exploration Technologies（SpaceX）三年來首次發射了其最大火箭，為美國太空軍向地球軌道運送一個機密運載物。獵鷹重型運載火箭周二從佛羅里達州甘迺迪航天中心升空。五角大樓表示，最新這項任務代號USSF-44，由於運載物方面的問題此前曾被推遲。此次是獵鷹重型運載火箭第二次進行國家安全事宜相關的發射，這是SpaceX與五角大樓之間不斷增長的業務的一部分。
當地時間2023年1月15日17時56分左右，一架美國太空探索技術公司（SpaceX）“獵鷹重型”火箭在佛羅里達州的美國宇航局甘迺迪航天中心39A發射台升空。報導稱，在三年的停滯期後，SpaceX已在兩個月內第二次成功發射，該次火箭攜帶的兩顆衛星將被送入地球靜止軌道。
台北時間2023年7月29日11時04分，SpaceX 使用“獵鷹重型”火箭將“木星3號”（EchoStar Jupiter 3）通信衛星發射升空，在飛行3.5小時後星箭成功分離。
美國東部時間2023年10月13日10時19分（台北時間22時19分），“靈神星”號探測器搭載美國太空探索技術公司的“獵鷹重型”運載火箭從佛羅里達州甘迺迪航天中心升空，展開探索之旅。據美國航天局介紹，“靈神星”號探測器預計於2029年抵達靈神星。它將繞這顆小行星運行約26個月，拍攝照片、繪製表面地圖並收集數據以確定其成分。
2023年12月11日，美國太空探索技術公司（SpaceX）已將“獵鷹”重型運載火箭的下一次發射推遲到最早當地時間12月12日晚上，X-37B太空飛機的發射也因此延遲。這是X-37B太空飛機首次掛載在SpaceX的“獵鷹”重型運載火箭升空。
當地時間2023年12月28日晚，美國太空探索技術公司（SpaceX）在佛羅里達州甘迺迪航天中心成功發射美國軍方X-37B“軌道實驗飛行器”。
發射記錄
序號 | 運載火箭 | 起飛時間 | 有效載荷 | 發射地點 | 備註 |
|---|---|---|---|---|---|
1 | “獵鷹重型” | 2018-02-06 | 一輛特斯拉跑車 | 甘迺迪航天中心 | 成功 |
2 | “獵鷹重型”B5 | 2019-04-11 | 阿拉伯-6A通信衛星 | 卡納維拉爾角 | 成功 |
3 | “獵鷹重型”B5 | 2019-06-25 | 24顆衛星及太空飛行器 | 卡納維拉爾角 | 成功 |
4 | “獵鷹重型” | 2022-11-01 | 為美國太空軍執行代號USSF-44的秘密任務 | 卡納維拉爾角 | 成功 |
5 | “獵鷹重型” | 2023-01-15 | 2顆衛星 | 甘迺迪航天中心 | 成功 |
6 | “獵鷹重型” | 2023-07-29 | “木星3號”（EchoStar Jupiter 3）通信衛星 | - | 成功 |
7 | “獵鷹重型” | 2023-10-13 | “靈神星”號探測器 | 甘迺迪航天中心 | 成功 |
技術創新
多發動機
“獵鷹重型”運載火箭一子級採用27台Merlin-1D+發動機，是世界上發動機數目最多的火箭。在傳統設計理念中，為避免採用多發動機導致複雜的耦合振動、火箭推重比下降、系統可靠性降低等問題，火箭一子級發動機數目通常控制在10台以內。歷史上曾有N-1火箭一子級採用了30台發動機，但其四次發射均以失敗告終。“獵鷹重型”運載火箭一子級大膽採用了挑戰傳統的27台發動機方案，但採用先進的設計手段確保了其高可靠性。
動力冗餘
“獵鷹重型”運載火箭所採用的動力冗餘技術是指在其主動段飛行過程中，當1台或多台發動機發生故障，在不影響其餘發動機正常工作的情況下，箭載控制系統對故障發動機實施緊急關機、故障隔離，繼續執行並完成主發射任務的一項技術。該技術極具挑戰性，涉及的主要關鍵技術包括：一是動力系統故障診斷隔離技術；二是彈道線上規劃與重構技術。
動力節流
為保證一子級助推器分離時芯級仍有最多的推進劑，達到延長芯級飛行時間、提升火箭運載能力的目標，“獵鷹重型”運載火箭在設計之初擬採用在一子級助推器與芯級之間通過交叉管路連線實現推進劑共用的推進劑交叉輸送技術。該技術的實現難度較大，仍有許多難點問題待解決。
在首飛任務中，“獵鷹重型”運載火箭主要充分利用一、二子級發動機的節流變推力能力，來替代推進劑交叉輸送技術實現其擬達到的目標。該方式與採用推進劑交叉輸送技術相比可減小火箭設計複雜性，降低風險發生機率。
“獵鷹重型”運載火箭第一級及助推器
火箭回收
“獵鷹重型”的最大特點是其芯一級和兩個助推器能夠回收與重複使用，即全箭共28台發動機，除第二級使用的1台梅林-真空發動機不能回收與重複使用外，其餘27台梅林-1D發動機都可以回收與復用，復用的比例高達96.42%，這能大大降低火箭的發射成本，具有重大的里程碑意義。
“獵鷹重型”運載火箭的芯一級在剛升空時需適當節流，即要把推力調低，在火箭發射後2分38秒與助推器分離後（此時火箭速度約5890千米/小時）才能重新調回到滿推力水平進行全速飛行，因此其比獵鷹9號的第一級要多飛行1分鐘才與第二級分離，在發射後9分48秒飛到大西洋上距離發射場約967千米的海上平台回收。該次回收也創下了在距離發射場最遠的海上平台著陸，通常只有300～500千米。
“獵鷹重型”運載火箭一子級各個通用芯級均安裝有柵格舵，可用於輔助箭體再入過程中姿態穩定控制，並提供一定的氣動阻力用於減速。各個通用芯級的著陸裝置為四個支腿，在火箭發射後的上升段及再入過程中收攏於箭體，當火箭一子級減速即將著陸於地面或海上平台之前展開；支腿由液壓裝置執行收攏展開，並具有展開後鎖死的能力；支腿主要由碳纖維及鋁合金蜂窩板構成，輕質且能滿足載重需求；支腿帶有液壓減震器，可進一步減緩垂直著陸帶來的巨大衝擊。
不同構型
- 不回收型
“獵鷹重型”火箭如果不回收第一級和兩枚助推器時，火箭的近地軌道運載能力為63.8噸（相當於一架波音737客機重量），地球同步轉移軌道運載能力為26.7噸（相當於一輛T-34坦克重量），發至火星的載荷能力16.8噸（相當於一輛滿載的油罐車重量），發至木星的載荷能力3.5噸。因此它不僅能把超大型衛星送入軌道，還具有執行載人登月或載人火星飛行的潛力。
- 可回收型
“獵鷹重型”火箭如果回收第一級和兩個助推器時，火箭的近地軌道運載能力降為30噸，地球同步轉移軌道運載能力降為8噸。這是由於回收時要消耗很多燃料，但即使這樣，其仍是世界現役火箭中運載能力最大的，可用於發射大型太空飛行器。
由於芯一級和兩個助推器都採用了新研製的獵鷹9號的B5型火箭（採用B5型火箭要比2018年首次試射“獵鷹重型”時採用B4型、B3型火箭更強勁，最大推力相當於18架波音747客機全功率推進力，而且能夠重複使用10次以上），所以2019年發射的“獵鷹重型”總推力比2018年“獵鷹重型”首飛時提升了10%，總的起飛推力為2550噸（2018年首次發射時為2326噸）。
“獵鷹重型”運載火箭飛行及回收規劃示意圖
多項突破
“獵鷹重型”火箭的工作更加“智慧型”。在“獵鷹重型”火箭剛剛點火發射時，助推器和芯一級上的發動機均以最大推力工作。但在飛行進行一小段時間後，芯一級的推力會被調低以節省燃料。當助推器即將完成任務、與火箭本體分離時，芯一級的推力又會被調整回最大狀態。通過助推器和芯一級間推力的動態分配調整，可以使火箭的飛行效率更高。
“獵鷹重型”火箭還有可能成為第一種使用“交叉輸送”技術的運載火箭，這種技術可以在火箭助推器和芯級之間實現推進劑的對流。在起飛前，可以在助推器中加注多於助推器本身工作需求的燃料。在火箭飛行過程中，助推器不斷給火箭芯一級進行“太空加油”。當助推器分離時，芯一級內仍然有相當多的燃料，支持之後的飛行。這種技術的採用，使得“獵鷹重型”火箭以兩級的構型實現了以往三級、四級火箭才能完成的任務。
為了提高火箭的可靠性，“獵鷹重型”火箭在設計時採用了40%的結構冗餘，相當於使用承重能力10噸的橋樑通行重量為6噸的車輛，而一般火箭的結構冗餘只有25%。對火箭正常飛行至關重要的元器件，火箭都採用了三套器件互為備份。
總體評價
“獵鷹重型”運載火箭的研製發射，其運載能力超越國際上所有的現役火箭。
“獵鷹重型”填補了SpaceX公司的兩項不足，即進入地球同步軌道的能力和飛出地球之外的載人探索能力。美國商業太空飛行協會主席埃里克·斯托默發表聲明：“獵鷹重型”的成功首飛代表著太空探索技術公司和商業太空行業的一個重要里程碑，為2018年的商業太空飛行開了一個好頭。（科普中國 評）
“獵鷹重型”運載火箭在2019年6月25日的發射中，同時實現了多個首次：首次夜間發射、首次重複使用二手助推器、首次一箭多星、首次為美國軍方發射衛星、首次嘗試回收整流罩……因此SpaceX公司CEO馬斯克形容說，這是“該公司最困難、最複雜的一次發射”。“獵鷹重型”把24顆衛星部署在三個不同的軌道上，是此次發射最大的難點所在。這意味著火箭的二級發動機將不得不在長達6小時的飛行過程中4次點火，打破以往最多3次的紀錄，對火箭的可靠性提出極高要求。該次發射任務成功，SpaceX公司有望成為未來十年美國軍事發射的主要承包商。據稱，SpaceX公司一直極力希望能打入利潤豐厚的軍用發射市場。（新華網 評）
“獵鷹重型”運載火箭發射
