一、引言

2011年4月5日，美國私營航天公司：太空探索公司Space X執行長馬斯克宣佈，他們正在研製一種自人類登月以來最強大的火箭，即：獵鷹重型火箭。當時馬斯克還公佈了獵鷹重型火箭的設計細節及效能資料。現在獵鷹重型火箭早已取得成功，並且一舉成為美國土星-5火箭退役後，世界上最大的運載火箭。由於具有可回收重複發射使用的特性，獵鷹重型火箭還有著較低的發射費用。直接引領世界，開啟了火箭重複使用的航天新紀元。今天我們就來聊一聊獵鷹重型火箭。

獵鷹重型火箭

獵鷹重型火箭其實是在之前的獵鷹9號發展過來的，獵鷹重型火箭使用的發動機與之前的獵鷹9號是一樣的，在結構材料等各方面也比較相同。一級使用的是3個芯級並聯組成，也就是說，一共有27個梅林發動機，每一個芯級都可以完全等同於獵鷹9號的一級水平，每一個芯級，都可以進行重複回收使用。獵鷹9號已經是SpaceX公司一個相當成熟的產品，在此基礎上，獵鷹重型已經實現了重大突破，無論在外觀還是整個效能方面，都擁有世界級的領先地位。

獵鷹重型火箭，相當於三個獵鷹九號

整個火箭的高度將近70米，70米是什麼樣的概念？大約能夠達到20層樓那麼高，而其寬度則達到了12.2米，在起飛重量可以達到1420噸，標稱近地軌道運力則達到了63.8噸，從某種程度來說，它幾乎等同於一架滿載著乘客的波音737飛機。它是全球第一個可以進行重複使用的重型運載火箭，開闢了全球火箭的先河。獵鷹重型火箭發射之後，3枚一級火箭全部進行回收，其中有兩枚將會在肯尼迪的航天中心進行同步的降落，而第三枚芯一級火箭，則會降落在海上，SpaceX公司將會在海上完成回收。

獵鷹重型運載火箭使用了大量先進的航天材料以及航天技術，比如"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發動機、"交叉運輸"技術、結構冗餘設計等。此外，還有一個最重要的，就是火箭的重複利用技術，這是整個美國運載火箭的重大突破，也是整個全球火箭行業當中的重大突破。

1、全面使用"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發動機技術

首先，我們來說一下"2195鋁鋰合金"液氧/煤油發動機技術。獵鷹重型是第一個使用該技術的火箭，而且其品質已經完全降到了讓人震驚的程度，為什麼這樣說？是因為其助推器的品質比已經完全超過了30，而德爾他-4的註明運載火箭的品質比也遠遠落後於它，僅僅為10左右。因此，火箭雖然整體全部都使用了低比衝液氧/煤油發動機，但是運載係數方面，卻比德爾他-4的重型運載火箭要優秀很多。

2、推進劑"交叉運輸"技術

推進劑"交叉運輸"技術也是美國首次在該火箭當中使用，在它的加持下，可以實現火箭助推器以及芯級之間實現推進劑的對流，然後讓其可以保證助推器在分立的時候，芯級仍然可以擁有最多的推進劑，讓它能夠輕鬆實現三級火箭的效能。在發射比較輕的載荷的時候，可以完全關閉這個技術，這樣，整個火箭的運輸能力雖然有一些下降，不過，複雜性卻明顯減少了，因此，這也就有效降低了事故的發生概率。在保障安全效能的同時，還能夠讓運載火箭技術的各方面發展達到有效的控制，這也不得不讓所有的行業公司都為之驚歎。

3、構冗餘設計

獵鷹重型火箭的可靠性非常高，其設計留有40％的結構冗餘，而普通運載火箭僅有25％。火箭第一級採用27臺發動機的設計結構，具備在單臺或多臺發動機出現故障時，仍可順利完成發射任務的獨特能力。此外，火箭還裝備了三重冗餘的航天電子裝置和雙重啟動的級間分離螺栓。這些設計使得。獵鷹重型成為一種極為安全可靠的運載火箭，同時也完全符合美國航空航天局的載人航天標準。

4、火箭回收技術

我在之前的與火箭的回收方式相關的三篇文章介紹過，實際上自從火箭的誕生以來，工程師們就一直在尋找火箭回收重複使用的辦法。早期的試驗主要是以傘降回收方式為主，後來美國在太空梭專案中，使用傘降回收方式成功回收並重復使用了兩個助推器。這成為火箭重複使用的一大進步。不過美國的太空梭由於維護成本太高，儘管實現了助推器與軌道器的重複使用，也還是沒有把成本降下來。這也是後來導致其早早退役的一個主要原因。

早期進行的傘降回收試驗

獵鷹火箭採用的是垂直返回式回收，回收精度更高，但是技術也更為複雜

馬斯克的獵鷹火箭採用的是垂直回收方式，這種方式好在能夠精準的著陸。但是對技術的要求也要比傘降式高得多。越是細長的物體越是難以控制其姿態。獵鷹9號火箭的可回收的第一級高度超過了14層樓，而重量則達到了10噸，最大的速度可以達到1500米/秒，降落回收的區域則是僅僅為幾十米寬的樣子，而獵鷹重型則相當於3個獵鷹9號在同時進行回收，無論是火箭的姿態控制，還是各種協調控制、落點精度控制等都是十分複雜的。

5、火箭重複使用的成本控制

在火箭回收後，能否通過簡單的維護就投入下一次的發射使用也直接影響到火箭的發射成本問題。如果火箭的發射成本降不下來，那火箭的回收遲早會步入美國太空梭的後塵，也就沒有多大的現實意義。不過獵鷹重型火箭通過重複使用實現了大幅度降低發射成本的目標。

就發射成本來說，美國空軍2012財年的發射預算為17.4億美元，其中每次發射費用平均為4.35億美元，而獵鷹重型火箭平均每次發射費用僅為一億美元左右。從獵鷹重型火箭的身上我們可以看到，重複使用的可回收火箭在未來的商業航天活動中大有可為。

我們來看一下美國太空探索技術公司（SpaceX）的發展歷程：2002年成立，2006年就進行火箭首飛（不過未能成功），2008年獵鷹1運載火箭首次成功發射，2010年成功實現獵鷹9中型火箭首飛。2012年，SpaceX公司開始進行垂直起降複用技術飛行試驗，2015年獵鷹9火箭首次完成陸地回收，2016年實現獵鷹9火箭的海上回收。2017年，SpaceX公司不僅完成了其首次軍事載荷發射任務，還首次實現獵鷹9火箭複用並且成功完成18次發射任務，佔美國全年發射數量的2/3，一躍成為美國最重要的發射服務商。2018年SpaceX實現了獵鷹重型火箭首飛，完成了同一枚火箭一子級的三次發射。開啟了人類探索太空的新篇章。

或許在馬斯克進軍航天領域，開展火箭回收重複使用的時候沒有多少人看好他的這一行動，或許Space X的成功離不開美國航天局的全力支援，但是作為一家民營企業，能夠引領當今時代運載火箭的發展潮流，用短短的十來年時間就站在了世界航天技術的頂峰，這都是史無前例，令人驚歎和佩服的。