【魏“聊”航天】扒一扒猎鹰火箭的那些不为人知的秘密
-----这几天手机被艾伦.马斯克和他的猎鹰火箭刷屏了，猎鹰九号一级火箭的成功回收，像是冬天里的一声惊雷，震倒全世界的铁粉，全是一片惊呼和赞叹，著名的果壳网甚至用了这样一段话来描述激动暴涨的心情：马斯克一族的头生子，雷与火中降生的艾伦，上天落地的火箭之魔，太阳与雷霆驱动的战车之父，现世的钢铁侠，工程师的庇护之灵，万众膝盖的收集者。
-----猎鹰－9火箭究竟是什么东东，竟引得人们如此膜拜？不妨来扒一扒它的筋骨肉，看看是肥还是瘦？
1、火箭的灵魂是发动机
-----Falcon－9火箭第一级用的是Space－X自己研制的Merlin－1C液氧煤油发动机，共9台，发动机海平面推力50吨，海平面比冲275s。第二级用的是Merlin－1C Vacuum，真空推力44.5吨，真空比冲304s。
Merlin-1C液氧煤油发动机
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-----明年发射的猎鹰重型，由芯级和两枚助推火箭捆绑而成，各用9台Merlin－1D发动机，共27台。每台发动机海平面推力75.6吨，海平面比冲282s。第二级用一台Merlin－1D Vacuum，真空推力81.5吨，真空比冲342s。
----这么说了可能大家还是没概念，我们就引入一个参考宇宙神V（Atlas V）火箭。它的第一级用一台俄罗斯引进的RD-180液氧煤油发动机，海平面推力382.7吨，比冲311.3s，真空推力415.2吨，真空比冲337.8s。第二级用一台Rocketdyne公司的RL-10膨胀循环氢氧发动机，真空推力10吨，真空比冲450.5s。
俄罗斯RD-180液氧煤油发动机
-----看出来了吧，海平面比冲275s对311s，差了36s，比只相当于人家的88％。中国YF－100液氧煤油发动机，海平面推力120吨，海平面比冲300s，真空推力136.7吨，真空比冲335s。
-----看出来了吧，目前的Merlin－1火箭发动机别说和俄罗斯的RD－180比了，即使和中国的YF－100比也差一个档次！比冲是什么？是发动机的效率，按一级火箭装300吨推进剂算，猎鹰－9要多装34吨以上才能达到同样飞行速度，从那儿能省出这么多重量？
中国YF-100液氧煤油发动机
-----发动机推力小、效率低，而且只有这么一款，推力不够数量凑，芯级不足助推帮，地面高空都用它。钢铁侠，没有动力怎么飞？
2、助推火箭和芯级交叉推进剂供给
-----猎鹰重型火箭采取了助推火箭和芯级火箭交叉供给推进剂技术，通俗点说来就是将助推火箭的推进剂贮箱和芯级的发动机供给管路连接起来，芯级发动机和助推发动机首先使用助推级贮箱的推进剂，等用完后再使用芯级贮箱的推进剂，这样可以保证助推级贮箱的推进剂100％被利用。这不是什么新技术，以前不用是因为系统太复杂，会大大降低火箭的可靠性。猎鹰重型火箭的助推火箭和芯一级是要回收的，助推火箭燃料必须保留一部分，以便飞回来，为了可靠还要保留一定的推进剂裕量，这与原先的交叉供给是矛盾的！
3、推进剂贮箱材料和焊接技术
-----火箭的推进剂贮箱体积巨大，既是存放推进剂的容器，也是火箭的支撑结构，占据了火箭结构重量的绝大部分，它的重量直接影响火箭的发射能力。猎鹰火箭推进剂贮箱采用了高强度低重量的铝锂合金和搅拌摩擦焊接技术。这不是什么新东西，是目前航天产品普遍采用的技术，我国的CZ－5火箭也用。
4、火箭的姿态控制
-----火箭的姿态控制系统保证飞行姿态的稳定性，通过姿控发动机控制火箭的俯仰、滚动和偏航，使火箭的通信天线朝向指定的方向，控制火箭的转向、返回。通常采用主发动机侧摆或游机摆动实现第一级的姿控，配置专门的姿控推进系统实现第二级和三四级的姿控。猎鹰火箭为了节约成本，在第二级采用了高压气瓶贮存氮气，由推力小比冲低的冷气推力器实现姿态控制。而其它公司的火箭要么采用专门的单组元化学推力器，要么采用涡轮泵后引出的热气作为工质的推力器，比冲高、推力大。猎鹰－9火箭为了实现一级火箭返回，在一级上面专门配置了冷气姿控推进系统，前面的几次回收失败原因都与姿控推力器推力太小有关。
-----至于采用的三机冗余备份计算机则是当下火箭最普通的配置，linux操作系统和C＋＋语言是大学里搞立方星的技术，没有丝毫新鲜可言。
5、一级火箭返回和重复使用
-----说道重复使用，它的祖宗应该是航天飞机。航天飞机除了外挂贮箱不回收外，其它全部重复使用。外挂贮箱不回收是因为体积太大，回收成本太高，不值得为了一个空壳的铝合金贮箱费那么大周折，劳民伤财。让一级火箭飞回来本也不是什么难事，因为它工作完成时火箭还没飞多高多远，速度还不快。像猎鹰－9一级分离时速度只有1.5km/s，这时候让它减速停下来，再掉头飞回发射场消耗的资源不多，如果是第二级或第三第四级，那时速度已经达到7km/s以上了，飞行高度早出了大气层，飞行距离已达几千公里甚至上万公里，而且为了克服再入大气层的高温，还要做专门的烧蚀隔热层，就为了一个空壳子火箭和几台用过的发动机再让它飞回来？估计是脑袋让驴踢了！
-----猎鹰－9一级火箭飞回来了，哪些还能重复用，还需要花多大代价维护，这都是问题，艾伦.马斯克没说，依据他的性格向来是先说后干的，已经知道的是Merlin－1发动机不是为重复使用设计的！可以参考的是航天飞机主发动机SSME，可以重复使用100次，但每次使用后的系统维护非常麻烦，最后不得已只好放弃，现在NASA的太空发射系统SLS仍然继承了这款梦幻般发动机的遗产，不过改成了一次性使用。没有人怀疑这位钢铁侠的创造能力，我们也期待着他带给我们新的惊喜。
-----火箭是太空探索唯一可依赖的东西，发动机就是它的心脏和魂，火箭90％以上的荣耀倚仗它，如同之于汽车、飞机、火车、轮船等等一切需要动力的地方。一款优秀的发动机开发周期在10年以上，不断改进和应用的周期至少在30年以上。盘点从现代火箭诞生以来的70多年来，性能过硬并使用到现在的发动机寥寥无几，现代发动机的燃烧效率已经达到了97％，距离理论的最高效率只有不到3％。
-----钢铁侠，你的引擎离当下的水平还有很大的差距，你要自由飞翔，赶紧使出杀手锏，别尽玩地摊货了......
（作者：魏延明，中国空间技术研究院首席研究员）
