文/ 田丰

北京时间2019年4月12日6点35分，美国太空探索技术公司（以下简称SpaceX公司）的猎鹰重型（Falcon Heavy）火箭时隔一年再次从肯尼迪航天中心LC-39A发射台发射升空，这款现役最强运力火箭终于迎来了首个正式商业载荷——一颗重6.46吨的同步轨道通讯卫星。发射后8分半钟，两枚助推器率先着陆于陆地着陆场LZ-1、2，随后芯级也稳稳落在距发射场1000公里的无人回收驳船上，弥补了首飞芯级坠海的遗憾，34分钟后星箭顺利分离。至此，三枚火箭同时回收的壮观景象成为现实，27台发动机并联设计的可靠性得到进一步验证。而这次看似平淡的发射之后，一些潜藏的变化正在航天界涌动，或将对美国宇航局(NASA)的重返月球进程产生影响。

半新半旧，首飞成功，仍具争议

作为“猎鹰重型”的第二次发射，本次发射所用的芯一级和两枚侧助推器均为全新生产的Block5最新改进型，但按照SpaceX公司一贯的“抠门”作风，虽然箭体是新的，但部分梅林发动机以及助推器头锥却是重复使用的。

▲助推器头锥有明显的使用痕迹

其中复用的助推器头锥来自2018年2月7日猎鹰重型火箭首次发射，当时两枚助推器在完成发射任务后与芯级分离，掉头飞回发射场并缓缓降落在着陆场上。这个过程被空中的无人机拍摄下来，震撼了世界。随后，火箭整流罩打开，蔚蓝地球背景下红色特斯拉跑车画面刷爆了当时各大媒体。

但喧嚣过后，这款火箭依然颇具争议，尤其是这款具有现役火箭中最强运力的火箭首次发射却只搭载了一辆不足2吨重的跑车，遭到众多网友的质疑，称其用了“吃奶的劲儿”却只打了一堆太空垃圾。但事实上，去年首飞搭载跑车实属无奈之举，恰恰证明了当时“猎鹰重型”的最大问题——设计风险大，可靠性不足，订单少，客户不敢以身试险。

▲绿光来自三乙基铝-三乙基硼(TEA- TEB)引火系统的反应，还可以看到火焰底端的激波

▲水平组装厂房内的“猎鹰重型”

▲Starman和特斯拉跑车在太空

可靠存疑，订单寥寥，急需自证

去年首飞过后的“猎鹰重型”不得不面对一个“空有屠龙刀，却无龙可屠”的尴尬境地，人们常说“火箭的运力有多大，航天的舞台就有多大”，SpaceX公司标称猎鹰重型火箭近地轨道运力高达63.8吨，同步转移轨道的运力26.7吨，看似大有可为，其实是高不成低不就。

首先，商业客户并不需要这么庞大的运力，目前最重的商业通讯卫星也不过7.1吨（Telstar 19V），尚不及其运力上限的三分之一；类似阿里安5火箭的双星拼车也限于整流罩等原因难以成行，况且高通量同步轨道通讯卫星造价高昂，加之多数客户对“猎鹰重型”可靠性存疑，发射报价优势也不明显，订单数量较“猎鹰9”逊色不少。其次，NASA短期也并不需要这款火箭执行深空任务，一是因为探测器对发射窗口及可靠性要求甚高，而火箭可靠性尚未得到充分验证。“猎鹰9”执行了近70次发射，直到去年末才拿到NASA的LSP-3认证，具备最高价值载荷的发射资格。美国空军（USAF）和美国国家侦察局（NRO）虽有所需求，但两家的载荷历来以贵出名，经常贵过等重黄金，且不容有失，仅成功发射一次的火箭难言可靠。因此SpaceX公司急需一次正式任务证明自己的设计，最终Arabsat-6A卫星顺利成为了“小白鼠”。

▲载荷卫星效果图，该星一式两份，其姐妹星已经由阿里安5火箭于今年2月送入轨道

▲星箭分离

▲“Arabsat-6A”卫星在厂房

“Arabsat-6A”是一颗采用洛·马公司LM-2100平台的高通量通信卫星，但问题是这颗卫星仅重6吨有余，SpaceX公司自家“猎鹰9”完全可以胜任，缘何大动干戈动用“猎鹰重型”呢？难道只是为了证明可靠性？

你到底能不能打——“猎鹰重型”的运力之谜

“Arabsat-6A”合同签订于2015年，那时的1.1版猎鹰9火箭的同步转移轨道运力仅有4.85吨，因此6.46吨卫星在当时选用“猎鹰重型”可谓合情合理。然而世殊时异，“猎鹰9”在4年间不断迭代升级，运力一路飙升至8.3吨，已经轻松涵盖6吨卫星。不过若严格按照合同履行，坚持采用“猎鹰重型”也是合理的，但以往也有过“猎鹰重型”订单下放到“猎鹰9”发射的情况，这次为什么不这样做呢？这就要从“猎鹰9”的可回收设计说起了。

自2015年12月首次回收猎鹰9火箭起，经过4年疯狂改进和迭代，SpaceX公司的回收复用技术日渐成熟，但不可避免地损失30%～50%的运力。虽然如此，SpaceX公司依然坚定地将复用道路走了下去，于去年4月推出了“猎鹰9”的Block5型。该型号融合了4年来SpaceX公司所有对垂直回收和重复使用的经验和教训，是“猎鹰9”的最新改型，单箭体至今最多复用3次，且即将在自家星链（StarLink）的首次组网任务中复用第4次，但是Block5型的全面服役也基本终结了SpaceX公司的一次性火箭发射业务。公司于去年Block5构型服役起宣布，对商业客户除特殊原因外，不再安排一次性发射，并将对复用火箭发射逐步打出各种折扣，以吸引客户。

▲“猎鹰9”的Block5型

▲各种回收状态下的运力水平表

▲2011年，猎鹰重型火箭首次公开亮相

迄今为止，SpaceX公司取得了20多次复用火箭发射成功率100%的成绩。因此目前SpaceX公司除特殊政府载荷(如GPS-3首星)外，猎鹰9火箭的运力上限就是5.5吨，当然也有卫星超重但自行升轨的情况，篇幅所限不展开。所以目前超过5.5吨的GTO载荷，也就顺理成章地成为了“猎鹰重型”的订单。不仅如此，此次“猎鹰重型”将卫星送入了远地点近9万公里的超同步轨道，仅此一项就将节省大量卫星推进剂，有望将卫星在轨寿命从15年延长至18～20年，这也是客户冒险选择“猎鹰重型”的原因所在。

发射成功后，两枚助推器将被重新翻修，用于暂定今年6月的STP-2（又称福卫7）发射，这次发射中火箭二级将4次点火，进行长达6小时的在轨滑行，最终将23颗卫星部署到三个不同的轨道面。此次任务中“猎鹰重型”要向美国空军和NASA证明，这款火箭完全具备替代联合发射联盟的“宇宙神5”和“重型德尔塔4”的实力，可以以更低价格执行各种国家安全发射（National Security Launch）。但是无论如何，这次成功发射，进一步验证了27台发动机并联设计的可靠性，这势必对未来运载火箭的设计思路会产生一定影响。

同门改进不断，“重猎”也有变化

SpaceX公司一直奉行互联网式的快速迭代策略，基本就没有“定型”和“批产”的概念，在过去的数年间，公司几乎就没生产过两枚完全一样的猎鹰9火箭。其实此次发射的“猎鹰重型”也是如此，此次发射的“猎鹰重型”全面基于2018年5月首飞的Block5型猎鹰9火箭改进而来，推力提升10%，换用钛合金格栅舵，改进发动机舱防热结构，换用新型箭体涂料等等，由于同宗同源，“猎鹰9”的任何改进都将拓展至“猎鹰重型”上，形成协同效应。

其实从对比图来看，Block5版本为了更好地复用，首先改进了发动机舱的密封结构，为了实现推力冗余设计，所有梅林发动机都具有摆动能力，因此需要可动密封结构保护发动机，但原有的密封套在最高6～8马赫的恶劣回收再入环境下受损严重，甚至有些任务中直接被吹烂。因此在Block5版中改成了活动防热板，此外发动机舱还增设了铜绿色防热涂层。

随着这批改进的实施，“猎鹰重型”的设计将逐步成熟固化，加上两次成功的演示任务，“猎鹰重型”的销路已经逐渐打开。在去年首次发射时，该火箭仅有两个发射订单（Arabsat-6A和STP-2）。而随着去年首飞成功，火箭又相继斩获了军方AFSPC-52、AFSPC-44两次军星发射订单，以及Ovzon-3和ViaSat-3两颗高通量商业通讯卫星订单。随着此次发射的成功，“猎鹰重型”的未来之路或将更加开阔，但是纵观订单量列表，我们会发现缺少一个熟悉的身影——NASA。

▲ 水平组装厂房内的火箭

▲发动机密封套严重受损

指不上的SLS，前途看好的“猎鹰重型”

猎鹰重型火箭自诞生之日起到现在，既没有NASA的现金资助，也没有其订单支持。那么这款火箭为何一直不受NASA的“待见”呢？因为在50吨以上运力级别，NASA有着自己“嫡子”——由“波音”负责研制的太空发射系统（Space Launch System，简称SLS）。

但是，转机出现在2019年初，“波音”在SLS项目上肆无忌惮地拖延、超支和运力缩水，已经严重影响到了特朗普政府拟定的重返月球计划表。因此以副总统迈克·彭斯为主的航天委员会要求NASA考虑换用可行的商业火箭，替代SLS执行猎户座飞船代号EM-1的首次绕月任务，一时间业界哗然。NASA局长吉姆·布里登斯廷临危受命，组织论证满足条件的替代火箭。初步论证后，发现能赶得上时间，运力又足够的，竟然只有SpaceX公司的猎鹰重型火箭，其中包括两次发射在轨对接和换用高性能低温氢氧二级发射两种方案。

▲ “波音”太空发射系统SLS

▲右侧是重新涂装的LC-39A发射塔，该发射台曾用于阿波罗登月

▲ 图中标注用商业火箭发射的，“猎鹰重型”都有机会

虽然最终NASA详细论证的结果是这两种方案同样赶不及在2020年6月发射“猎户座”，最终只能继续催促“波音”加快进度。但这是“猎鹰重型”第一次正式进入美国重返月球架构的“菜单”之中，而且险些将SLS“踢落马下”。

在未来以美国为首的环月空间站建设中，以“电力和推进模块”为首的部分舱段，和后续大量货运任务，都需要大运力、低报价且排期灵活的商业火箭来担纲发射。而纵观美国现有的运载火箭序列，老一代如重型德尔塔4火箭因报价高昂等原因已经进入退役序列，而新一代如“火神”、“新格伦”等火箭因研发受挫，首飞乃至成熟仍无定期。在此青黄不接的时期，正是“猎鹰重型”大显身手的好机会。不仅如此，部分深空探测器也已向“猎鹰重型”抛出橄榄枝，例如NASA的欧罗巴快帆任务(Europa Clipper)。可以想见此次成功发射过后，“猎鹰重型”或将继续斩获各种订单，本来“无龙可屠”的这位勇士搞不好要忙到“分身乏术”了。如果暂定六月的STP-2任务再获成功的话，凭借三次成功发射，两次部分复用成功的可靠性数据，“猎鹰重型”的地位或许又会有微妙的变化。在未来的重返月球任务和世界火箭舞台上，“猎鹰重型”和SpaceX公司又将扮演怎样的角色，让我们拭目以待。