從“獵鷹1”到“大獵鷹” SpaceX火箭真能飛到火星？

近日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的新聞有點多。4月，“重型獵鷹”火箭首次商業發射成功；同月，成功拿下價值6900萬美元的“雙小行星變向試驗”（DART）任務訂單；5月，“星鏈”計劃“一箭六十星”發射任務一經披露就成為全球輿論焦點，閃亮的衛星連成線成為夜空中的獨特風景。

從“獵鷹1”“獵鷹9”到“重型獵鷹”再到攜帶著星際飛船的“大獵鷹”，SpaceX的火箭是怎樣一步步升級的？

十年火箭路 從小型到重型

2002年，馬斯克正式投身商業航天，SpaceX破殼而出。一陣招兵買馬后，新生的它要解決的第一個問題就是搞出自己的火箭。直至2008年，低軌運載能力僅有420千克的“獵鷹1”在經歷3次失敗后終于試射成功。

“獵鷹1”是名副其實的小火箭，直徑不到1.7米，高20米，一級火箭裝備一臺“灰背隼”（Merlin）發動機，二級也只有一臺“紅隼”發動機。SpaceX借助“獵鷹1”的項目經驗掌握了火箭的研發、制造技術，特別是驗證了“灰背隼”發動機的可靠性，在進行了幾次發射后就將其“束之高閣”。

2010年6月，長70米、直徑3.7米、低軌運力超過10噸的“獵鷹9”首飛成功。僅僅兩年，SpaceX就實現了從小型火箭到中型火箭的跨越。這主要有兩方面原因：從設計上看，“獵鷹9”一級火箭采用9臺與“獵鷹1”相同的發動機并聯，二級也使用一臺“灰背隼”發動機。因此，在“獵鷹1”的研制中，已經嵌入了對“獵鷹9” 動力系統的研究。從試驗流程上看，SpaceX堪稱“快馬加鞭”，極盡簡化之能事。2009年10月，“獵鷹9”才進行一級火箭點火試驗，但僅僅一個月后，二級火箭點火試驗隨即開展；七個月后，直接開始首飛。

美國國家航空航天局（NASA）曾稱，如果按照傳統的“開發流程”，“獵鷹9”的研制需要耗資40億美元，而SpaceX開發“獵鷹1”和“獵鷹9”一共僅花費3.9億美元。

2011年，SpaceX宣稱將用2年時間完成“重型獵鷹”的開發。“重型獵鷹”看起來并不復雜，就是把兩個“獵鷹9”的一級火箭捆綁在一枚完整的“獵鷹9”上做助推器。但SpaceX將其實現用了近7年。一方面因為期間“獵鷹9”兩次發射失敗，耽誤了研制進程；另一方面“捆綁”火箭涉及的結構設計并沒有那么簡單；此外，SpaceX還騰出了大量精力提升“獵鷹9”的性能指標，并攻克了一級火箭回收技術。

2018年2月，低軌運力達63.8噸的“重型獵鷹”終于將馬斯克的紅色“特斯拉”送上太空。從“獵鷹1”到“重型獵鷹”，10年時間，SpaceX的火箭運力提高15倍。

欲得一火箭 必先得其“心”

火箭作為一個系統工程，發動機是其最核心的技術。從“獵鷹1”到“重型獵鷹”，“心”卻沒有變，都是采用“灰背隼”系列火箭發動機作為主要的動力來源。不同的是，一級火箭的發動機數量由1個提高到了27個。

“如此多的發動機并聯面臨工作同步性、一致性等問題，火箭動力系統的復雜性也大幅上升。”著名航天專家蔣天（化名）表示，并聯方式可以降低對單臺發動機的推力需求，避免研制更大推力發動機面臨的大流量渦輪泵、大流量推力室等技術難題，特別是流量增大導致的地面試驗系統匹配困難等問題。

蔣天介紹，“灰背隼”火箭發動機將液氧和煤油作為推進劑，使用燃氣發生器式泵壓循環方式，結構簡單、可靠性高。更特別的是，“灰背隼”采用了針栓式噴注器，以實現推力的連續可變，從而達到火箭垂直降落回收的目的。

“從火箭發動機原理上講，實現連續推力調節的主要方式包括改變推進劑的供應量、改變發動機的噴管喉部面積、改變噴注面面積等。”蔣天進一步解釋道，改變推進劑供應量和改變噴注器面積，是實現液體火箭發動機連續推力調節的主要方式，因為改變噴管喉部面積會帶來熱和燒蝕等問題。針栓式噴注器就是通過改變噴注面面積，控制燃料流量，實現發動機推力的大范圍連續調節。

記者了解到，20世紀60年代，美國TRW公司最先將針栓式噴注器用于“阿波羅”計劃著陸器的下降發動機上。SpaceX在成立之初挖走了TRW公司的火箭專家湯姆·穆勒，借此在火箭發動機技術上走了“捷徑”。“灰背隼”包括多種型號，早期“灰背隼”-1A推力僅有340千牛，新型“灰背隼”-1D的推力則超過900千牛，且能從40%到100%連續變化。

“‘灰背隼’發動機主要在提升推力、提高推重比等方面加以改進。”蔣天稱，其中由A型到B型改善了渦輪泵性能，提高了轉速和揚程，由B型到C型則改變了推力室冷卻方式，實現了再生冷卻，D型則將推力進一步提高并實現了大幅度連續變推力工作。

未來“大獵鷹” 目標是火星

為了探測月球和火星，SpaceX正在建造“大獵鷹”超重型火箭，并計劃2020年首飛，2023年繞月飛行，2024年帶人踏足火星。“大獵鷹”高118米，直徑9米，近地軌道運載能力高達150噸，超過了“阿波羅”計劃中使用的“土星5號”和正在研制的“空間發射系統”（SLS），排名全球第一。此外，“大獵鷹”的兩級火箭都可實現回收并重復使用，是名副其實的“完全可重復使用運載火箭”。

“大獵鷹”超大推力的實現方式與“重型獵鷹”類似，其一級火箭由31個新型“猛禽”（Raptor）發動機并聯而成，總推力高達6180萬牛。二級火箭名為“星際飛船”（Starship），由6個“猛禽”發動機提供動力，總推力達到1200萬牛，它既能載人進行深空旅行，也能在太空中釋放探測器、衛星等航天器。

既然說到“大獵鷹”，就不能不提“猛禽”火箭發動機。記者了解到，“猛禽”發動機以液氧甲烷為推進劑，單臺最大推力接近2000千牛，能從20%到100%連續調節。相比其他現役火箭發動機，“猛禽”最大的不同是采用了“全流量分級燃燒”技術。

蔣天告訴科技日報記者，所謂“全流量分級燃燒”技術需要兩個預燃室，一個將大部分燃料和小部分氧化劑進行燃燒，另一個將小部分燃料和大部分氧化劑進行燃燒，產生的燃氣分別驅動燃料渦輪泵和氧化劑渦輪泵，再進入主燃燒室匯合燃燒。這種系統通過渦輪的燃氣溫度更低，渦輪的使用壽命更長，更有利于提高發動機的重復使用次數。

“此外，液氧甲烷推進劑因其低結焦性能和相對較低的成本，常被認為適合于可重復使用火箭發動機。”蔣天介紹，俄羅斯在上世紀90年代也曾開展過推力在100噸和200噸量級的大推力液氧甲烷發動機研制。

蔣天認為，整體上看，SpaceX的火箭發動機技術有一定的先進性和借鑒意義，特別是在可重復使用領域。另外，SpaceX在降低發動機質量、提高推重比等領域也做了很多有意義的工作。