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SpaceX发展与政府支持专题(三):“猎鹰 9”: 一次可回收而未回收的发射
    日期:2020年03月27日    字体:【】【】【

美国太空探索技术公司(SpaceX)的各种进展都会引起航天从业者和爱好者的关注,这两年我们已经习惯了看到带着栅格舵和着陆腿的猎鹰9火箭,然而 2018 年12月23日执行美国空军GPS 3-A-1任务(载荷为首颗第三代 GPS卫星GPS 3-A-1)的猎鹰9-v1.2-Block5运载火箭竟然没有栅格舵和着陆腿,这一简陋的构型真的已经好久未见了,感觉好像“猎鹰 9”出门少穿了几件衣服……这种配置自然也就意味着这一发“猎鹰 9”不会进行回收。

猎鹰 9-v1.2-Block5 火箭自一露面就引起很多讨论:这样一枚设计可以重复使用十次以上的猎鹰火箭,竟然要一次性使用,有没有搞错?马斯克这是受了龙“CRS-16”回收失败的刺激?还是美国空军财大气粗,就是这么任性?

一、不回收是受龙“CRS-16”回收失利的影响吗?

有些人可能会怀疑取消回收是因为受到2018年12月5日美国宇航局“商业补给服务”(CRS)项目下国际空间站货运补给任务的龙货运飞船,任务代号龙“CRS-16”陆上回收失败的影响,火箭一级落入岸边不远的海中。

▲“CRS-16”任务中的火箭回收

龙“CRS-16”本来是一次平淡无奇的发射。唯一特别之处,这是猎鹰9-v1.2-Block5火箭首次执行对国际空间站的货运补给任务。

成功回收已经是近两年SpaceX公司的常态。

在龙“CRS-16”发射之前,“猎鹰9”芯一级(包含重型猎鹰三枚通用芯级回收)在37次(不含伞回收)回收尝试中,成功降落31次,成功率 84%。其中17次已经执行了第二次飞行任务,其中包括2次使用“猎鹰重型”助推器。海上回收25次,失败6次;陆地回收12次,全部成功。

出乎绝大多数人的意料,执行龙 “CRS-16”任务的全新的猎鹰9-v1.2- Block5火箭因为栅格舵伺服系统故障回收失败。此次回收是SpaceX公司陆地回收首次遭遇失败。

▲猎鹰9-v1.2-Block5火箭陆地回收失败后,火箭一级落入海中

实际上,美国空军的GPS 3-A-1任务早就确定了,不可能临时修改箭体结构。显然这次任务从一开始就没打算回收。

二、火箭回收与否谁来定?

从火箭性能方面看,一般是看火箭本身是否采用回收设计或者是否具有回收价值,二看运载能力是否满足回收要求。

▲卡纳维拉尔角和肯尼迪中心的发射场和回收场(沿海岸线依次为 SLC-40、LC-39A、LZ-2、 LZ-1)

猎鹰9火箭从1.2 版本以后,都可以回收。执行这次任务的猎鹰9-v1.2- Block5运载火箭属于最新的“Block5”,是可以重复使用十次以上的最新版本,不存在没有回收价值的问题。

那就是回收状态的运载能力不足?那我们先来看看回收对“猎鹰 9” 运载能力有什么要求:

问题1:这些年猎鹰火箭都把载荷发射到了什么样的轨道?

“猎鹰 9”的典型任务包括向国际空间站运送货物,发射通信卫星和地球 观测卫星到地球同步转移轨道(GTO) 和低地球轨道(LEO),包括部分极轨道(PO),以及少量高轨道载荷。高 轨道任务包括发射外太空气候观测站(DSCOVR)到太阳拉格朗日L1点,向月球飞行轨道上发射凌日系外行星勘测卫星(TESS),以及重型猎鹰试飞发射特斯拉跑车到火星轨道以外的日心轨道。

▲LZ-1 和 LZ-2,重型猎鹰两个助推器稳稳落地就是在这儿

问题2: SpaceX 公司从哪儿发射?在哪儿回收?回收方式是怎样的?

SpaceX 公司目前使用东海岸的卡纳维拉尔角空军基地、肯尼迪航天中心和西海岸的范登堡空军基地三个发射场。范登堡空军基地可以实现高轨道倾角的发射(66°-145°),包括极轨道(PO)和太阳同步轨道(SSO),而卡纳维拉尔角空军基地可以实现中等轨道倾角的发射,最高可达51.6°,主要有近地轨道(LEO)和地球同步转移轨道(GTO)。卡纳维拉尔角空军基地的的LC-13发射台现已改名为LZ-1,2017年旁边增建了 LZ-2,用于回收重型猎鹰火箭的第二个助推器。

西海岸的范登堡空军基地的SLC4E射向向南,用于发射极轨道和太阳同步轨道载荷。发射后的着陆将在邻近的SLC-4W进行(改建为LZ-4)。

除了三个陆地回收场,SpaceX公司还有引以为傲的海上回收平台(ASDS),分别为“当然,我依然爱你”、“请看说明书”以及在建的“庄严的短缺”。

问题3:回收会对运载能力造成多大的影响?

先来看看“猎鹰 9”一次性不回收任务都有哪些。

▲SLC-4E发射场和LZ-4回收场

“猎鹰9”不回收状态发射的最 大载荷为10颗铱星NEXT卫星,重量为 9600 千克(777公里极轨道)。地 球同步转移轨道轨道最大载荷为通讯卫星 Intelsat 35e,重量6761千克。轨道 高度最高当属“DSCOVR”的太阳拉格朗日 L1 轨道了。早期1.0版本、1.1版本不能回收,1.2版本只能复用一次, 在第二次发射后多数不回收,这是受到火箭可重复使用性能的限制;部分高轨道发射任务也不回收,就是受到运载能力的限制了。

陆地回收则几乎都用于近地轨道 发射,其中货运飞船最多(比如这次的龙“CRS-16”货运飞船)。陆地回收状态下发射过的最大载荷为X-37B OTV-5,重量为 4990 千克。

海上回收发射的最大载荷为10颗铱星NEXT卫星(与一次性使用的最大载荷相同),重量为9600千克;地 球同步转移轨道最大载荷为通讯卫星Telstar 19V,7075千克。

对比这些数字,我们不难看出, 对于现有的地球同步转移轨道、极轨道、近地轨道任务,“猎鹰 9”海上回收的 运载能力和一次性使用已经没有明显区别,其中极轨道的载荷已经接近现有过渡支架承载能力的上限;而陆地回收对运载能力有明显限制,没有超过5吨,且基本上都是近地轨道。

题4:回收为什么会对运载能力造成影响?

根据回收过程点火次数不同,“猎鹰 9”的一级回收弹道有两次点火和三次点火的区别。两次点火时是在再入大气层前减速点火和着陆段的制动点火, 着陆点在发射弹道的航迹线下(其着陆 点主要由分离位置速度决定),主要采用海上驳船回收方式回收。海上回收点距离发射点距离约为600~700公里,主要用于发射地球同步转移轨道载荷。

▲SpaceX公司海上回收点分布蓝色为“猎鹰9”一子级回收点(西海岸)

对于三次点火回收方式,比两次点火多一次机动点火(反推点火或叫着陆点修正点火),这次点火的目的是调整回收着陆点,通过这次机动,可将着陆点选择为发射场,也可以选择为其他 (可达范围内)指定着陆点。海上回 收点距离发射点距离为200~400公里,主要用于发射极轨道载荷(如铱星NEXT),陆上回收点一般用于回收近 地轨道的龙飞船。

陆地回收需要三次点火,消耗推 进剂量比较大,自然对运载能力的影响 最大。而对于海上回收,不需要一子级转向往回飞,推进剂消耗量自然大减,尤其是远陆点海上回收,仅需要两次点火。从实际结果来看,重复使用对地球 同步转移轨道、近地轨道载荷的运载能力的影响比较小,以至于美国宇航局在对比各家火箭运载能力时直接选用了 “猎鹰9”重复使用条件下的运载能力。

▲SpaceX公司海上回收点分布蓝色为“猎鹰 9”一子级回收点(东海岸)

三、把“败家”进行到底

那么,对于这次发射美国空军GPS 3-A-1卫星,如果“猎鹰 9”进行回收,运载能力到底够不够?

首先需要注意的是,这次任务的中地球轨道(MEO)载荷SpaceX公司之前并没有发射过。

▲海上回收平台

GPS 3-A-1卫星重量为4400千克,轨道为20181公里×20181公里,轨道倾角55°。按照此次任务的时序,火箭二级经过接近一小时的滑行二次关机,高度为1220公里,之后是近47分钟的无动力滑行直至星箭分离。火箭将卫星送入一个近地点不大于 1220公里、远地点约为20000公里的椭圆轨道。根据弹道计算,虽然这次发射的近地点 高于地球同步转移轨道,但“猎鹰 9” 海上回收状态下运载能力其实能够满足 发射入轨的需要。

而且从此次任务的发射时序上看,猎鹰9-v1.2-Block5火箭一级工作164秒,在很大程度上降低了二子级的压力,为这次重要的发射任务提供了很大余量。

留出这些余量的一个重要目的是 为了满足此次发射的用户——美国空军的特殊要求。美国空军要求“猎鹰 9”的二级有足够的推进剂用于离轨以再入大气层销毁——为了避免产生太空垃圾。此次任务美国空军方面的主管表示,“猎鹰 9”没有足够的性能同时满 足空军的要求和回收——虽然他们在回收这件事上做得很成功。这也就解释了此次任务中二级发动机工作时间更短的现象——为了给二级保留更多的推进剂 实现离轨,这次留给火箭二级离轨的余量也是非常的充足……

美国空军在重要载荷的发射上一 贯慎之又慎,“只要有一丝风险或变化,都要最大限度地避免”。比如,就在这次任务中,为了增加发射的“弹性”,作为第三代GPS的首星,GPS 3-A-1导航卫星相比当初的设计增加了半吨多的推进剂……火箭二级非常“足够”的推进剂余量更是给发射上了双保险。所以,也很难说SpaceX公司这次选择不回收是因为运力不足还是为了“保成功”,真相大概只有美国空军和SpaceX公司知道了。

唯一可以肯定的是,美国空军肯定给了足够的钱让SpaceX公司把号称可以重复使用十次乃至百次的猎鹰9 Block5火箭送入大西洋海底。

本文原载于《太空探索》2019年第3期,作者为陈亮

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