【魏“聊”航天】扒一扒獵鷹火箭的那些不為人知的秘密
-----這幾天手機被艾倫.馬斯克和他的獵鷹火箭刷屏了，獵鷹九號一級火箭的成功回收，像是冬天裏的一聲驚雷，震倒全世界的鐵粉，全是一片驚呼和讚歎，著名的果殼網甚至用了這樣一段話來描述激動暴漲的心情：馬斯克一族的頭生子，雷與火中降生的艾倫，上天落地的火箭之魔，太陽與雷霆驅動的戰車之父，現世的鋼鐵俠，工程師的庇護之靈，萬眾膝蓋的收集者。
-----獵鷹－9火箭究竟是什麽東東，竟引得人們如此膜拜？不妨來扒一扒它的筋骨肉，看看是肥還是瘦？
1、火箭的靈魂是發動機
-----Falcon－9火箭第一級用的是Space－X自己研製的Merlin－1C液氧煤油發動機，共9台，發動機海平麵推力50噸，海平麵比衝275s。第二級用的是Merlin－1C Vacuum，真空推力44.5噸，真空比衝304s。
Merlin-1C液氧煤油發動機
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-----明年發射的獵鷹重型，由芯級和兩枚助推火箭捆綁而成，各用9台Merlin－1D發動機，共27台。每台發動機海平麵推力75.6噸，海平麵比衝282s。第二級用一台Merlin－1D Vacuum，真空推力81.5噸，真空比衝342s。
----這麽說了可能大家還是沒概念，我們就引入一個參考宇宙神V（Atlas V）火箭。它的第一級用一台俄羅斯引進的RD-180液氧煤油發動機，海平麵推力382.7噸，比衝311.3s，真空推力415.2噸，真空比衝337.8s。第二級用一台Rocketdyne公司的RL-10膨脹循環氫氧發動機，真空推力10噸，真空比衝450.5s。
俄羅斯RD-180液氧煤油發動機
-----看出來了吧，海平麵比衝275s對311s，差了36s，比隻相當於人家的88％。中國YF－100液氧煤油發動機，海平麵推力120噸，海平麵比衝300s，真空推力136.7噸，真空比衝335s。
-----看出來了吧，目前的Merlin－1火箭發動機別說和俄羅斯的RD－180比了，即使和中國的YF－100比也差一個檔次！比衝是什麽？是發動機的效率，按一級火箭裝300噸推進劑算，獵鷹－9要多裝34噸以上才能達到同樣飛行速度，從那兒能省出這麽多重量？
中國YF-100液氧煤油發動機
-----發動機推力小、效率低，而且隻有這麽一款，推力不夠數量湊，芯級不足助推幫，地麵高空都用它。鋼鐵俠，沒有動力怎麽飛？
2、助推火箭和芯級交叉推進劑供給
-----獵鷹重型火箭采取了助推火箭和芯級火箭交叉供給推進劑技術，通俗點說來就是將助推火箭的推進劑貯箱和芯級的發動機供給管路連接起來，芯級發動機和助推發動機首先使用助推級貯箱的推進劑，等用完後再使用芯級貯箱的推進劑，這樣可以保證助推級貯箱的推進劑100％被利用。這不是什麽新技術，以前不用是因為係統太複雜，會大大降低火箭的可靠性。獵鷹重型火箭的助推火箭和芯一級是要回收的，助推火箭燃料必須保留一部分，以便飛回來，為了可靠還要保留一定的推進劑裕量，這與原先的交叉供給是矛盾的！
3、推進劑貯箱材料和焊接技術
-----火箭的推進劑貯箱體積巨大，既是存放推進劑的容器，也是火箭的支撐結構，占據了火箭結構重量的絕大部分，它的重量直接影響火箭的發射能力。獵鷹火箭推進劑貯箱采用了高強度低重量的鋁鋰合金和攪拌摩擦焊接技術。這不是什麽新東西，是目前航天產品普遍采用的技術，我國的CZ－5火箭也用。
4、火箭的姿態控製
-----火箭的姿態控製係統保證飛行姿態的穩定性，通過姿控發動機控製火箭的俯仰、滾動和偏航，使火箭的通信天線朝向指定的方向，控製火箭的轉向、返回。通常采用主發動機側擺或遊機擺動實現第一級的姿控，配置專門的姿控推進係統實現第二級和三四級的姿控。獵鷹火箭為了節約成本，在第二級采用了高壓氣瓶貯存氮氣，由推力小比衝低的冷氣推力器實現姿態控製。而其它公司的火箭要麽采用專門的單組元化學推力器，要麽采用渦輪泵後引出的熱氣作為工質的推力器，比衝高、推力大。獵鷹－9火箭為了實現一級火箭返回，在一級上麵專門配置了冷氣姿控推進係統，前麵的幾次回收失敗原因都與姿控推力器推力太小有關。
-----至於采用的三機冗餘備份計算機則是當下火箭最普通的配置，linux操作係統和C＋＋語言是大學裏搞立方星的技術，沒有絲毫新鮮可言。
5、一級火箭返回和重複使用
-----說道重複使用，它的祖宗應該是航天飛機。航天飛機除了外掛貯箱不回收外，其它全部重複使用。外掛貯箱不回收是因為體積太大，回收成本太高，不值得為了一個空殼的鋁合金貯箱費那麽大周折，勞民傷財。讓一級火箭飛回來本也不是什麽難事，因為它工作完成時火箭還沒飛多高多遠，速度還不快。像獵鷹－9一級分離時速度隻有1.5km/s，這時候讓它減速停下來，再掉頭飛回發射場消耗的資源不多，如果是第二級或第三第四級，那時速度已經達到7km/s以上了，飛行高度早出了大氣層，飛行距離已達幾千公裏甚至上萬公裏，而且為了克服再入大氣層的高溫，還要做專門的燒蝕隔熱層，就為了一個空殼子火箭和幾台用過的發動機再讓它飛回來？估計是腦袋讓驢踢了！
-----獵鷹－9一級火箭飛回來了，哪些還能重複用，還需要花多大代價維護，這都是問題，艾倫.馬斯克沒說，依據他的性格向來是先說後幹的，已經知道的是Merlin－1發動機不是為重複使用設計的！可以參考的是航天飛機主發動機SSME，可以重複使用100次，但每次使用後的係統維護非常麻煩，最後不得已隻好放棄，現在NASA的太空發射係統SLS仍然繼承了這款夢幻般發動機的遺產，不過改成了一次性使用。沒有人懷疑這位鋼鐵俠的創造能力，我們也期待著他帶給我們新的驚喜。
-----火箭是太空探索唯一可依賴的東西，發動機就是它的心髒和魂，火箭90％以上的榮耀倚仗它，如同之於汽車、飛機、火車、輪船等等一切需要動力的地方。一款優秀的發動機開發周期在10年以上，不斷改進和應用的周期至少在30年以上。盤點從現代火箭誕生以來的70多年來，性能過硬並使用到現在的發動機寥寥無幾，現代發動機的燃燒效率已經達到了97％，距離理論的最高效率隻有不到3％。
-----鋼鐵俠，你的引擎離當下的水平還有很大的差距，你要自由飛翔，趕緊使出殺手鐧，別盡玩地攤貨了......
（作者：魏延明，中國空間技術研究院首席研究員）
