獵鷹9號火箭發(fā)射及箭體復用的分析

劉敏華

(1. 西北工業(yè)大學，西安 710072；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

天地往返重復使用是航天技術發(fā)展的重要方向，從技術路線上來看，“垂直起降”“垂直發(fā)射、水平著陸”“水平起降”等幾種技術途徑都在并行開展研究和實踐應用，其中獵鷹9號火箭所發(fā)展的一級箭體“垂直起降”發(fā)射回收復用技術，已最為成熟，并多次應用于火箭重復使用發(fā)射任務中，在重復使用工程應用方面走在了前面，積累了經(jīng)驗和大量可供分析的數(shù)據(jù)子樣。基于此，本文以獵鷹9號火箭作為目標研究對象，以期對重復使用研究和應用工作有所借鑒和幫助。

1 獵鷹9號火箭及狀態(tài)演變

獵鷹9號火箭自研制以來，已發(fā)展演變了5個版本的火箭。

(1)獵鷹9號1.0版(已退役)

獵鷹9號1.0版為兩級火箭，第一級搭載了9臺Merlin 1C發(fā)動機(采用九宮格布局)，第二級搭載了一臺Merlin 1C真空版發(fā)動機，均為液氧煤油發(fā)動機，第一級不可回收。LEO運載能力10 450 kg，GTO運載能力4 540 kg。1.0版火箭共進行了5次發(fā)射，4次完全成功，1次部分成功。2010年6月4日首次發(fā)射，2013年3月1日發(fā)射CRS-2任務后退役不再使用。

(2)獵鷹9號1.1版(已退役)

相比1.0版，獵鷹9號1.1版火箭長度增加到68.4 m，一級發(fā)動機改為9臺Merlin 1D發(fā)動機(采用圓形布局)，可實現(xiàn)節(jié)流調(diào)節(jié)能力，發(fā)動機推重比也大幅提高[1]。LEO運載能力提高到13 150 kg。1.1版共進行了15次發(fā)射，2013年9月29日首次發(fā)射，除2015年6月28日發(fā)射CRS-7任務失敗外，其他主線任務都取得成功。

(3)獵鷹9號全推力版Block3(已退役)

獵鷹9號全推力版Block3火箭長度增加到70 m，發(fā)動機升級到Merlin 1D+發(fā)動機，通過冷凝處理技術提高液氧煤油的加注量，LEO運載能力提高到22 800 kg，GTO運載能力8 300 kg，一級完全可回收。共進行了25次發(fā)射，2015年12月22日首次發(fā)射OG-2任務，一級箭體B1019.1首次成功回收。除AMOS-6任務在發(fā)射前意外爆炸，其他發(fā)射均成功，實現(xiàn)了16次成功回收。

(4)獵鷹9號Block4(已退役)

獵鷹9號Block4為過渡版本，采用鈦合金柵格舵取代鋁合金的柵格舵。2017年8月14日首次發(fā)射，共進行了12次發(fā)射，在獵鷹9號火箭第57次發(fā)射后退役不再使用。

(5)獵鷹9號Block5(現(xiàn)役)

獵鷹9號Block5采用了全新設計的上面級，重復使用能力大幅提升。2018年5月11日首次發(fā)射，截至2023年12月31日，已完成229次發(fā)射，全部取得了成功。

2 獵鷹9號火箭(Block5型)的發(fā)射統(tǒng)計分析

2.1 按年度的統(tǒng)計分析

自2018年Block5版本火箭成功首飛以來，按年度(統(tǒng)計見表1)來看，獵鷹9號火箭的年度發(fā)射次數(shù)呈持續(xù)上升態(tài)勢，并且取得了全部成功。2023年，更是以15枚在役一級箭體的多次復用，支撐了全年91次的火箭發(fā)射，一級箭體年平均復用次數(shù)達到6.06次。

表1 按年度的統(tǒng)計Tab.1 Statistics by year

2.2 按任務的統(tǒng)計分析

Block5版本火箭按任務來源統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2，分析如下。

表2 按任務來源的統(tǒng)計Tab.2 Statistics by task source

1)星鏈任務：詳見2.3節(jié)，是當前獵鷹9號火箭高密度發(fā)射的主要任務來源，發(fā)射次數(shù)總占比已達57%，2023年度占比更是達到69%。

2)NASA科學任務：個位數(shù)，任務相對較少。

3)軍方國防任務：主要為GPS III衛(wèi)星、NROL偵察衛(wèi)星和太空發(fā)展局SDA衛(wèi)星。

4)國際空間站ISS貨運和載人任務：相對穩(wěn)定，每年任務次數(shù)為4～5次。

5)國內(nèi)用戶：主要為國內(nèi)通信公司。

6)國外用戶：隨著獵鷹9號火箭不斷成熟與可靠，國外用戶的數(shù)量持續(xù)增加，以通信衛(wèi)星/星座發(fā)射為主，目前已成為排在星鏈發(fā)射任務之后的第二大發(fā)射任務。

7)拼單發(fā)射服務：瞄準小衛(wèi)星市場，持續(xù)推出了1次一箭多星和9次Transporter拼單發(fā)射服務。

8)商業(yè)太空飛行任務：目前主要形式包括亞軌道飛行和軌道級飛行，經(jīng)過多年的探索，在2021年實現(xiàn)了集中突破和爆發(fā)。2021年，維珍銀河1號載人亞軌道飛行成功，藍色起源載人亞軌道飛行成功，同年Space X的軌道級載人也發(fā)射成功。截至2023年年底，Space X通過獵鷹9號火箭，已成功發(fā)射實施了3次軌道級商業(yè)太空飛行任務，分別為2021年的Inspiration4載人任務(4名乘員、約2億美元成本和3天軌道飛行)、2022年的AX-1任務(4名乘員、約2億美元成本、與ISS對接和10天周期往返)和2023年的AX-2任務(4名乘員、約2億美元成本、與ISS對接和10天周期往返)，搭乘了12名乘員進入空間或空間站。

2.3 星鏈任務的統(tǒng)計分析

從2018年發(fā)射星鏈衛(wèi)星以來，截至2023年12月31日，通過獵鷹9號火箭，星鏈衛(wèi)星已累計發(fā)射了5 650顆衛(wèi)星(具體統(tǒng)計見表3)，其中包括2顆Tintin測試衛(wèi)星、60顆V0.9版衛(wèi)星、1 678顆V1.0版衛(wèi)星、2 974顆V1.5版衛(wèi)星和936顆V2 Mini版衛(wèi)星。

表3 星鏈任務的發(fā)射統(tǒng)計Tab.3 Launch Statistics for the Starlink Mission

3 一級箭體的復用分析

3.1 整體生產(chǎn)和庫存情況

獵鷹9號火箭一級箭體的編號，采用了Booster首字母B加序列數(shù)字的編號形式。

B0001～B0007(7個)，是用于技術驗證與演示獵鷹9號，也被稱為V1.0版。其中B0001和B0002用于測試，其他5枚箭體用于發(fā)射。

B1001～B1018(18個)，被稱為V1.1版。其中B1001、B1002、B1009用于測試，其他15枚用于發(fā)射。

B1019～B1038(20個)，被稱為完全推力版本。其中B1027用于測試，其他用于發(fā)射。

B1039～B1045(7個)，屬于Block4版本。

B1046開始，為Block5版本，快速穩(wěn)定生產(chǎn)。截至2023年年底，有B1060、B1061、B1062、B1063、B1064、B1065、B1067、B1069、B1071、B1073、B1075、B1076、B1077、B1078、B1080、B1081等一級箭體在服役。

生產(chǎn)的部分一級箭體用于獵鷹重型火箭的助推和芯級，詳見表4。

表4 獵鷹重型火箭發(fā)射及其一級箭體使用情況Tab.4 Falcon Heavy rocket launch and its usage of the stage-1 booster

3.2 一級箭體(Block5型)復用的統(tǒng)計情況與能力評價

通過表5的數(shù)據(jù)，對當前復用能力的評價，從以下3個指標進行分析。

表5 一級箭體使用情況Tab.5 The usage of the stage-1 booster

1)可復用次數(shù)S：代表箭體在回收維護后能夠正常使用的能力，目前表征的最大次數(shù)是19次。

2)平均復用率：表征的是一枚箭體在一段時間內(nèi)重復使用的頻率，從能力角度它主要與維修維護及周轉(zhuǎn)間隔時間D有關。不同一級箭體的年平均復用率在不斷提高，已從最開始B1046箭體的1.8次/年，逐步增加到B1076箭體的8次/年。

一級箭體的周轉(zhuǎn)間隔時間D與箭體所處的維護狀態(tài)和維護等級有關。重復使用火箭的檢測維修，一般采用三級維護維修[2]。獵鷹9號火箭關注復用準則的探索，通過振動試驗驗證重要部件的疲勞壽命能覆蓋4倍于15次飛行任務的工作時長，建立了3個級別的復用檢測維護準則，即每次任務后都進行的A級檢測，執(zhí)行6～7次飛行任務后的B級定期維修，發(fā)射次數(shù)最多(13次以上)和執(zhí)行載人任務需進行的C級徹底維護。同一一級箭體的最快周轉(zhuǎn)間隔時間為B1062箭體創(chuàng)造的22天。

3)發(fā)射頻率：表征一段時間內(nèi)發(fā)射的次數(shù)規(guī)模，可用年發(fā)射次數(shù)或年平均發(fā)射間隔時間來表征。它是一個綜合的結(jié)果指標，與發(fā)射需求M、箭體庫存量K、箭體可復用次數(shù)S、周轉(zhuǎn)間隔時間D以及與之相匹配的二子級生產(chǎn)率、發(fā)射臺與回收船周轉(zhuǎn)率等因素有關。2023年度，獵鷹9號火箭實現(xiàn)了年發(fā)射91次，或者是平均每4天發(fā)射一次的頻率。

由于獵鷹9號火箭的二子級不可重復使用，為匹配適應火箭高發(fā)射頻率的要求，二子級的生產(chǎn)率已提高到年產(chǎn)百發(fā)產(chǎn)品的水平，后續(xù)還將進一步提高。

3.3 一級箭體復用及退役策略的分析

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，一手新火箭除個別火箭用于發(fā)射星鏈任務外，優(yōu)先用于國際空間站載人/貨運任務和高價值載荷任務。

一級箭體的退出，一種是通過計劃中的不回收方式銷毀，還有一種方式就是回收失敗或損毀。而對于計劃中的不回收，可能是用于特定試驗(如B1046.4開展的IFA測試)，或者是用戶要求全推進劑工作用于投送載荷(如B1047.3、B1051.14、B1054.1)。

4 發(fā)射臺和著陸回收的統(tǒng)計分析

4.1 整體情況

獵鷹9號火箭的發(fā)射臺目前有3個：東部卡納維拉爾角太空軍基地的SLC-40、肯尼迪航天中心的LC-39A以及西部范登堡空軍基地的SLC-4E。近期Space X公司對卡納維拉爾角的SLC-40發(fā)射臺進行了改造，安裝了宇航員空中廊橋，改造完成后具備支持載人龍飛船發(fā)射的能力，這是繼肯尼迪航天中心的LC-39A之后，Space X公司擁有的第二個可用于發(fā)射載人航天任務的發(fā)射設施。同時為滿足后續(xù)更大的發(fā)射需求，Space X公司已租下范登堡空軍基地的SLC-6工位，作為西海岸第二個發(fā)射臺。未來發(fā)射布局會更加全面優(yōu)化、分工明確，西海岸主要用于極軌發(fā)射，東海岸主要用于載人航天、中低傾角LEO、GTO、GEO、跨月、日心等軌道的發(fā)射。

一級箭體的回收，目前有陸上回收和海上回收兩種方式。陸上著陸區(qū)，包括卡納維拉爾角的LZ-1、LZ-2和范登堡空軍基地的LZ-4。海上回收采用海上回收船ASDS進行回收，海上回收船目前有3艘在役。

1)JRtI(Just Read the Instructions)：第一艘服役6個月后于2015年退役，目前在役的為第二艘，2017年1月14日部署銥星NEXT-1時，首次成功回收一級火箭。2015—2019年在西海岸服役，維修后部署調(diào)整到東海岸，2020年6月4日復出執(zhí)行任務。

2)OCISLY(Of Course I Still Love You)：2016年3月4日首次嘗試回收一級火箭(B1020發(fā)射SES-9任務)，結(jié)果失敗。2016年4月8日B1021.1發(fā)射CRS-8龍飛船，一級火箭成功降落在海上平臺。2015年12月至2021年6月期間部署在東海岸卡納維拉爾港，2021年7月轉(zhuǎn)至西海岸加州長灘港。

3)ASoG(A Shortfall of Gravitas)：部署在東海岸卡納維拉爾港，2021年8月首次回收B1061.4箭體。

4.2 發(fā)射臺的使用周轉(zhuǎn)分析

2023年是獵鷹9號火箭發(fā)射的歷史高峰年，以該年發(fā)射任務情況來分析。在其3個發(fā)射臺中：卡納維拉爾角SLC-40發(fā)射臺年度發(fā)射最多，最為繁忙，2023年共發(fā)射了55次，年平均6.6天發(fā)射一次，最快周轉(zhuǎn)周期3天，最長周轉(zhuǎn)周期12天；范登堡空軍基地的SLC-4E發(fā)射臺次之，共發(fā)射了28次；肯尼迪航天中心LC-39A最少，只有8次，加上獵鷹重型的5次發(fā)射，共發(fā)射了13次。

SLC-40發(fā)射臺能夠?qū)崿F(xiàn)高的使用頻率，與獵鷹9號火箭采用“三平”(水平總裝、水平測試、水平整體轉(zhuǎn)運)測試發(fā)射模式和發(fā)射臺采取簡化與箭地一體化設計等因素有關?！叭健睖y試發(fā)射模式極大減少了發(fā)射區(qū)的占位時間和保障需求[3]。

4.3 回收方式的選擇與使用周轉(zhuǎn)分析

獵鷹9號火箭一級箭體回收方式的選擇，主要取決于投送的載荷質(zhì)量與軌道(參見表6)。以2023年度來看，對于拼單、SDA衛(wèi)星和商業(yè)乘組等投送質(zhì)量相對較小的低軌載荷任務，獵鷹9號火箭的一級箭體均實施陸地著陸進行回收。2023年度陸地回收共計13次，占比14%。

表6 不同軌道和回收方式對應的載荷能力(開源數(shù)據(jù))Tab.6 Payload capacity for different orbits and recovery methods(open source data)

對于承擔主要回收方式的海上回收，2023年度回收占比達86%。其中西部只部署了一條船“OCISLY”，2023年回收21次，最快周轉(zhuǎn)周期8天。在東部則部署有兩條船“JRtI”和“ASoG”，交替進行回收，2023年回收57次，最快周轉(zhuǎn)周期也均為8天。

5 獵鷹9號火箭的拼單發(fā)射服務

從2021年開始，獵鷹9號火箭針對小衛(wèi)星發(fā)射市場需求，推出了Transporter系列拼單發(fā)射服務，截至2023年12月底已先后發(fā)射了9次，累計將785個衛(wèi)星載荷送入軌道。

綜合表7和其他開源信息，可以看出：

表7 拼單發(fā)射服務情況Tab.7 Joint order for the launch service

1)拼單發(fā)射服務部署的軌道主要選擇面向太陽同步軌道或極地軌道，這對于種類繁多的小衛(wèi)星領域，相對容易拼單發(fā)射。拼單發(fā)射提供了5種載荷配置形式，包括位于分配器頂端的“蛋糕頂”艙位、1/4艙位、1/2艙位、全艙位、加大版全艙位。

2)對于衛(wèi)星載荷發(fā)射服務，Space X公司的獵鷹9號火箭既可提供直接發(fā)射入軌服務，也可通過載荷分包模式，即通過集成部署器或軌道轉(zhuǎn)移飛行器OTV(可用于提升衛(wèi)星軌道、調(diào)整傾角)來部署小衛(wèi)星。美國Spaceflight、德國Exolaunch、意大利D-orbit等公司作為分包商先行購買獵鷹9號火箭的載荷堆棧接口，每個接口100萬美元、可搭載200 kg載荷，分包商之后再分配給衛(wèi)星客戶。如在Transporter-1任務中，Spaceflight公司的Sherpa-FX OTV搭載了13顆小衛(wèi)星，Exolaunch公司包攬了30顆衛(wèi)星，意大利D-orbit公司包攬了20顆衛(wèi)星。

3)精細成本控制。小衛(wèi)星的拼單發(fā)射任務，衛(wèi)星數(shù)量雖大，但載荷總質(zhì)量仍較小，相較獵鷹9號火箭的低軌運載能力余量較大。為此發(fā)射時二級采用了短噴管版的真空梅林發(fā)動機以節(jié)約成本，一級則直接返回發(fā)射場附近進行陸地著陸。

4)價格優(yōu)勢。目前獵鷹9號火箭的拼單發(fā)射價格雖已漲至5 500美元/kg，但相比火箭實驗室的電子火箭發(fā)射報價38 000美元/kg SSO，仍具有非常大的價格優(yōu)勢。

6 獵鷹9號火箭的經(jīng)濟性與前景預測

6.1 獵鷹9號火箭的成本與經(jīng)濟性分析

2020年以來獵鷹9號火箭成本構(gòu)成及占比見表8。全新獵鷹9號火箭的發(fā)射服務報價6 200萬美元(2022年上調(diào)至6 700萬美元)，復用型火箭發(fā)射服務報價5 000萬美元，1次全新火箭發(fā)射和1次復用火箭發(fā)射的利潤為(6 200+5 000-5 000-1 500)萬美元=4 700 萬美元，即接近一枚新火箭的制造成本。

表8 2020年以來獵鷹9號火箭成本構(gòu)成及占比(萬美元，開源數(shù)據(jù))[4]Tab.8 The cost composition and proportion of the Falcon 9 since 2020 (Ten thousand dollars，open source data)[4]

理想情況，按照一級執(zhí)行12次、整流罩執(zhí)行6次來計算，發(fā)射12次的成本為：(5 000+1 500×11+500)萬美元=22 000萬美元，發(fā)射收入為(6 200+5 000×11)萬美元=61 200萬美元，利潤高達39 200萬美元。

實際過程中，Space X公司為使市場接受復用型火箭執(zhí)行發(fā)射服務，采取了自降利潤、返還合同款、免費提供附加服務等措施。正是在這些措施激勵和獵鷹9號火箭復用技術不斷成熟的情況下，美國軍方逐漸放寬并取消了對一級回收和復用的限制。

6.2 未來前景預測

(1)未來一段時間，獵鷹9號火箭仍將進一步提高發(fā)射頻率和重復使用率

Space X公司已宣布2024年將實施144次發(fā)射，達到平均每2.53天發(fā)射一次的高密度。從發(fā)射任務需求來看，獵鷹9號火箭不缺任務，星鏈任務仍將是未來一段時間內(nèi)的主力，Space X公司已經(jīng)獲批部署12 000顆星鏈衛(wèi)星，目前約有5 000顆在運營。

從發(fā)射的角度分析也是可行的。獵鷹9號火箭在東部有兩個發(fā)射臺和兩個海上回收船，短板在船的周轉(zhuǎn)周期，即使按8天考慮，東部發(fā)射/海上回收預估可達到90次。在西部有一個發(fā)射臺和一個海上回收船，西部發(fā)射/海上回收預估可達到45次，再加上陸地回收和獵鷹重型的發(fā)射，144次的發(fā)射次數(shù)完全是可實現(xiàn)的。后續(xù)隨著西海岸新增的SLC-6發(fā)射臺投入使用后，預計2025年的年發(fā)射總數(shù)將達到200次規(guī)模。

對于一級箭體的最大可復用次數(shù)能力，目前已達到19次水平，未來肯定將進一步向前探索推進，突破20次、30次甚至更多。一級箭體的年平均復用率目前已經(jīng)達到8次/年的水平，受維修維護周期影響，后續(xù)再提高的空間有限，10次/年可能會是上限。

(2)長遠看，獵鷹9號火箭的主力地位將被完全重復使用的超重星艦系統(tǒng)所取代

超重星艦系統(tǒng)目前已開展了兩次綜合飛行試驗，雖然尚未取得成功，但在技術上已實現(xiàn)了重大突破。超重星艦系統(tǒng)具有的超大運載投送能力，使得低軌的目標投送價格低至10美元/kg，遠低于獵鷹9號火箭的5 000美元/kg。超重星艦系統(tǒng)的未來應用前景廣泛，包括服務于“阿爾忒彌斯”計劃，助力美國載人深空探索活動。加快“二代星鏈”的部署。打造全球一小時“點對點”運輸系統(tǒng)，支撐物資/人員快速投送。發(fā)射大型空間設施及載荷，大幅拓展空間探索和空間利用水平等。

7 結(jié)束語

重復使用是運載火箭/飛行器未來發(fā)展的大趨勢和方向，要實現(xiàn)高的重復使用率和發(fā)射頻率，也是個體系化的工程，離不開緊密耦合的3方面因素：一是龐大發(fā)射任務的需求牽引，二是運載火箭/飛行器自身要具備的快速多次復用能力(包括復用部分和非復用部分)，三是與之相匹配的發(fā)射、回收等支持系統(tǒng)的保障能力。獵鷹9號火箭之所以能夠?qū)崿F(xiàn)較高的重復使用率和發(fā)射頻率，與同時滿足這3方面因素要求是分不開的。

對重復使用的相關分析評估，應該注意區(qū)分能力指標和綜合結(jié)果指標的差異性。

獵鷹9號火箭能夠和已經(jīng)實現(xiàn)了一級箭體和整流罩的多次復用，技術上得益于Merlin發(fā)動機和重復使用設計，在復用策略上，面對多樣化發(fā)射服務需求可謂“精打細算”。

獵鷹9號火箭已經(jīng)實現(xiàn)的多次重復使用對航天發(fā)展來說是一項重大進步，但仍屬于部分重復使用的系統(tǒng)。Space X公司正在研制的完全重復使用的超重星艦將是未來投入的方向和重點。