一文詳解SpaceX火箭：獵鷹系列——獵鷹9
獵鷹9簡(jiǎn)介
獵鷹9是一種中型的二級(jí)入軌運(yùn)載火箭，是目前世界上最先進(jìn)的運(yùn)載火箭之一，具有可重復(fù)使用、低成本、高效率、多功能等特點(diǎn)，由美國(guó)的SpaceX公司設(shè)計(jì)和制造。它的名字來源于《星球大戰(zhàn)》系列電影中的“千年隼”飛船，以及它的第一級(jí)助推器上有9個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。
截至2023年，獵鷹9已經(jīng)發(fā)展出了5個(gè)版本，分別是獵鷹9 1.0版、獵鷹9 1.1版、獵鷹9全推力版（Block 3）、獵鷹9 Block 4和獵鷹9 Block 5。
目前在使用的是最新的獵鷹9 Block 5版本，它在不回收第一級(jí)助推器的情況下，可以向低地球軌道發(fā)射22.8噸的載荷，相當(dāng)于一個(gè)大型客機(jī)的重量；或者向地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射8.3噸的載荷，相當(dāng)于一輛公交車的重量。
獵鷹9在人類航天史上有著極其重要的地位，它是歷史上第一枚能夠垂直著陸并多次重復(fù)使用第一級(jí)助推器的液體燃料運(yùn)載火箭，打破了運(yùn)載火箭只能一次性使用的傳統(tǒng)觀念。它也是第一枚完全在21世紀(jì)開發(fā)和設(shè)計(jì)的火箭，以及美國(guó)首次由私人企業(yè)承擔(dān)向國(guó)際空間站運(yùn)送貨物和人員任務(wù)的火箭，開啟了商業(yè)航天時(shí)代。
獵鷹9特點(diǎn)
獵鷹9的最大特點(diǎn)是它的可重復(fù)使用性，即它的第一級(jí)助推器可以在發(fā)射后返回地面或者海上平臺(tái)，經(jīng)過檢查和維護(hù)后再次發(fā)射。這樣可以大大降低發(fā)射成本，提高發(fā)射頻率，增加發(fā)射靈活性，也可以減少航天垃圾的產(chǎn)生。
獵鷹9的第一級(jí)助推器有兩種著陸方式：一種是返回發(fā)射場(chǎng)附近的著陸區(qū)（RTLS），另一種是返回海上的無人駕駛船平臺(tái)（ASDS）。
RTLS方式需要更多的燃料和時(shí)間，因?yàn)橹破餍枰淖冿w行方向，并且克服地球自轉(zhuǎn)帶來的速度差。這種方式適用于向低地球軌道發(fā)射較輕載荷的任務(wù)。
ASDS方式需要更少的燃料和時(shí)間，因?yàn)橹破髦恍枰刂瓉淼娘w行方向飛行，并且利用地球自轉(zhuǎn)帶來的速度增加。這種方式適用于向地球同步轉(zhuǎn)移軌道或者火星轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射較重載荷的任務(wù)。
獵鷹9第二大特點(diǎn)就是便宜。由于第一級(jí)助推器可回收，它的成本比其他國(guó)家的火箭低很多：
獵鷹9（第一級(jí)助推器的回收和重復(fù)使用）：6200萬(wàn)美元（約合人民幣3.9億元）
獵鷹9（不回收第一級(jí)助推器）：9700萬(wàn)美元（約合人民幣6.1億元）
阿特拉斯V火箭：1.5億美元（約合人民幣9.4億元）
阿麗亞娜5火箭：2.2億美元（約合人民幣13.8億元）
長(zhǎng)征5火箭：1.7億美元（約合人民幣10.7億元）
獵鷹9結(jié)構(gòu)
有效載荷整流罩
有效載荷是由火箭頂部的整流罩保護(hù)和固定的。整流罩是一個(gè)錐形的結(jié)構(gòu)，由碳復(fù)合材料制成，用于減少大氣阻力和保護(hù)載荷免受溫度、振動(dòng)和電磁干擾等影響。整流罩內(nèi)部有一個(gè)可調(diào)節(jié)的平臺(tái)，可以根據(jù)不同大小和形狀的載荷進(jìn)行適配。
整流罩直徑為5.2米，高度為13.1米，內(nèi)部容積為136立方米，是目前世界上最大的商用火箭整流罩。
整流罩在飛行大約3分鐘后，火箭達(dá)到大氣層外時(shí)會(huì)分離，并由兩個(gè)半殼組成。SpaceX正在嘗試回收整流罩以降低成本和提高可靠性。整流罩半殼在分離后會(huì)部署降落傘，并由特制的船只“GO Ms. Tree”和“GO Ms. Chief”在海上捕獲或打撈。
級(jí)間
獵鷹9的級(jí)間是指火箭的第一級(jí)和第二級(jí)之間的連接部分。級(jí)間的作用是在火箭分級(jí)時(shí)，將第一級(jí)和第二級(jí)分離，并提供電力、數(shù)據(jù)和燃料的傳輸。級(jí)間的設(shè)計(jì)和性能對(duì)火箭的可靠性和效率有著重要的影響。
獵鷹9的級(jí)間采用了一個(gè)簡(jiǎn)單而輕便的結(jié)構(gòu)，由一個(gè)圓柱形的金屬殼體和四個(gè)高超音速網(wǎng)格鰭組成，它們?cè)谠偃氪髿鈱悠陂g通過移動(dòng)壓力中心來定向火箭。
圓柱形的殼體位于火箭中心，直徑為3.7米，高度為1.2米，內(nèi)部裝有電池、電子設(shè)備、氣壓罐等組件，為火箭提供電力和控制信號(hào)。四個(gè)金屬桁架位于殼體周圍，呈十字形分布，長(zhǎng)度為4米，寬度為0.3米，用于連接第一級(jí)和第二級(jí)，并承受火箭發(fā)射時(shí)的巨大載荷。
獵鷹9的級(jí)間使用了一種稱為“氣動(dòng)分離”的技術(shù)，即利用大氣阻力和氣流來幫助第一級(jí)和第二級(jí)分離。在火箭達(dá)到約70公里的高度時(shí)，第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，同時(shí)第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。此時(shí)，四個(gè)桁架上的爆炸螺栓斷開，使得兩個(gè)級(jí)別之間的連接松開。
隨后，四個(gè)網(wǎng)格鰭上的推力器向外噴氣，將第一級(jí)推離第二級(jí)約20厘米。由于此時(shí)大氣阻力很小，這個(gè)距離足以避免兩個(gè)級(jí)別之間的碰撞。然后，由于兩個(gè)級(jí)別之間的速度差異和氣流作用，它們會(huì)自然地遠(yuǎn)離彼此，并進(jìn)入不同的軌道。
第二級(jí)火箭
獵鷹9的二級(jí)火箭是火箭的上部。它負(fù)責(zé)將有效載荷從約70公里的高度送入目標(biāo)軌道，然后分離并重新進(jìn)入大氣層。二級(jí)火箭的設(shè)計(jì)和性能對(duì)火箭的精度和靈活性有著重要的影響。
獵鷹9的二級(jí)火箭采用了一個(gè)圓柱形的金屬殼體，直徑為3.7米，高度為13.8米，重量為92噸。殼體內(nèi)部裝有1臺(tái)梅林真空發(fā)動(dòng)機(jī)，可以在水平方向上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，以控制火箭的方向。殼體外部裝有一個(gè)可分離的整流罩，用于保護(hù)有效載荷免受空氣阻力和熱流的影響。殼體底部連接著一級(jí)火箭，用于與第一級(jí)分離。
獵鷹9的二級(jí)火箭使用液態(tài)氧和煤油作為燃料，儲(chǔ)存在殼體內(nèi)部的兩個(gè)隔離的罐體中。液態(tài)氧罐位于上方，容量為92立方米，重量為75噸。煤油罐位于下方，容量為25立方米，重量為17噸。兩種燃料通過管道和泵送到發(fā)動(dòng)機(jī)中，在高溫和高壓下發(fā)生燃燒，產(chǎn)生強(qiáng)大的推力，燃燒時(shí)間為397秒。
獵鷹9的二級(jí)火箭使用了一種稱為“多次點(diǎn)火”的技術(shù)，即在軌道轉(zhuǎn)移過程中可以多次開啟和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)不同的軌道參數(shù)和任務(wù)需求。
在第一級(jí)分離后，二級(jí)火箭首次點(diǎn)火，將有效載荷送入一個(gè)橢圓形的過渡軌道。
在過渡軌道上，二級(jí)火箭可以進(jìn)行一次或多次點(diǎn)火，以達(dá)到目標(biāo)軌道或執(zhí)行軌道機(jī)動(dòng)。
在有效載荷分離后，二級(jí)火箭可以再次點(diǎn)火，以降低其軌道高度，并在大氣層中銷毀。
獵鷹9的二級(jí)火箭使用了一種稱為“整流罩回收”的技術(shù)，即在分離后不棄置于太空或大氣中，而是通過控制系統(tǒng)和回收系統(tǒng)返回地面或海上，并進(jìn)行檢修和再利用。
第一級(jí)火箭
獵鷹9的一級(jí)火箭是火箭的最底部，也是最大和最重的部分。它負(fù)責(zé)將火箭從地面發(fā)射到大約70公里的高度，然后分離并返回地面。一級(jí)火箭的設(shè)計(jì)和性能對(duì)火箭的成本和效率有著決定性的影響。
獵鷹9的一級(jí)火箭采用了一個(gè)圓柱形的金屬殼體，直徑為3.7米，高度為47.8米，重量為256噸。殼體內(nèi)部裝有9臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，呈九宮格布局，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都可以在水平和垂直方向上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，以控制火箭的姿態(tài)和方向，其海平面推力為7，607 千牛，真空推力為8，227 千牛。殼體外部裝有4個(gè)折疊式的著陸腿，用于在回收時(shí)支撐火箭。殼體頂部連接著級(jí)間，用于與第二級(jí)分離。
獵鷹9的一級(jí)火箭使用液態(tài)氧和煤油作為燃料，儲(chǔ)存在殼體內(nèi)部的兩個(gè)隔離的罐體中。液態(tài)氧罐位于上方，容量為284立方米，重量為147噸。煤油罐位于下方，容量為119立方米，重量為39噸。兩種燃料通過管道和泵送到發(fā)動(dòng)機(jī)中，在高溫和高壓下發(fā)生燃燒，產(chǎn)生巨大的推力。
獵鷹9的一級(jí)火箭使用了一種稱為“漸進(jìn)式關(guān)機(jī)”的技術(shù)，即在發(fā)射過程中逐漸關(guān)閉部分發(fā)動(dòng)機(jī)，以減少對(duì)火箭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和對(duì)有效載荷的加速度。
在發(fā)射時(shí)，9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都處于全功率工作狀態(tài)，提供約7,600千牛的推力。
在發(fā)射后約2分鐘30秒時(shí)，中央發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，剩余8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作。
在發(fā)射后約2分鐘45秒時(shí)，又有4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，剩余4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作。
在發(fā)射后約2分鐘55秒時(shí)，剩余4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都關(guān)閉，一級(jí)火箭與第二級(jí)火箭分離。
獵鷹9的一級(jí)火箭還使用了“可重復(fù)使用”的技術(shù)，節(jié)省大量的材料和人力成本，提高火箭的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。
獵鷹9的一級(jí)火箭回收過程包括以下幾個(gè)步驟：
分離：在第二級(jí)點(diǎn)火后，一級(jí)火箭與第二級(jí)分離，并開始下降。
翻轉(zhuǎn)：一級(jí)火箭使用四個(gè)冷氣推力器進(jìn)行180度的旋轉(zhuǎn)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)朝向下降方向。
重啟：一級(jí)火箭使用三臺(tái)或單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多次點(diǎn)火，以減速并調(diào)整軌跡。
制導(dǎo)：一級(jí)火箭使用四個(gè)格柵舵進(jìn)行精確的姿態(tài)和方向控制，并朝向預(yù)定的著陸點(diǎn)飛行。
著陸：一級(jí)火箭使用四個(gè)著陸腿進(jìn)行垂直軟著陸，并關(guān)閉剩余發(fā)動(dòng)機(jī)。
