SpaceX的獵鷹9號火箭詳細分析
本文作者：邢強博士
2015年12月，獵鷹9號火箭進行了她的第20次發射。當火箭把軌道通信公司（ORBCOMM）的11顆衛星推向太空後，獵鷹9號火箭的第一級在卡納維拉爾角空軍基地成功著陸，終於實現了SpaceX公司渴望已久的可回收火箭的初步驗證。
獵鷹9-1.1全推力型火箭全長70米，直徑3.66米，起飛推力6806千牛，起飛重量541噸。
獵鷹9號火箭的設計思路很明確：大量通用器件的應用縮短了研發周期和運營成本。
獵鷹9號是兩級火箭。第一級和第二級都採用默林1D發動機。第一級採用9台默林1D發動機，第二級為1台加大噴管擴張比的默林1D真空型發動機。也就是說，整枚火箭的主發動機用的是一個型號。這種發動機通用的設計理念極大地簡化了火箭對發動機系統的需求。作為後起之秀的SpaceX公司來說，採用了在阿麗亞娜系列、東風-長征系列得到過驗證的發動機通用理念的做法是很明智的。
獵鷹9-1.1火箭的第一級採用9台默林1D發動機。
默林採用燃氣發生器循環，使用RP-1煤油和液氧作為推進劑。該發動機是美國在進入21世紀後，從頭開始研製的少有的火箭發動機之一（其實能夠排的上號的就兩個，第一要數洛克達因RS-68液氫液氧發動機，第二就是默林1D發動機了）。
默林發動機使用了早期在阿波羅計劃里的登陸艙發動機上所使用的喉栓式噴嘴。推進劑通過一個渦輪泵輸出，進入燃燒室。同時，渦輪泵也提供高壓液體驅動液壓控制器，之後進入低壓燃料入口。這樣排除了對獨立的液壓動力系統的依賴，這意味著不會出現由於液壓耗盡而失去對推力方向的控制。渦輪泵的第三個用處是提供側向推力來控制火箭自旋。
第1次發射：2010年6月4日；
第2次發射：2010年12月8日；
第3次發射：2012年5月22日；
第4次發射：2012年10月8日；
第5次發射：2013年3月1日；
第6次發射：SpaceX公司的獵鷹9-1.1型運載火箭2013年9月29日在范登堡空軍基地進行了首次發射，把加拿大航天局的「級聯小衛星與電離層極區探測器」（CASSIOPE）空間天氣觀測衛星和搭載的5顆小衛星送入低地軌道。之前的5次發射用的是獵鷹9-1.0型，如今1.0型火箭已退役。
注意獵鷹9-1.1型火箭的9台發動機的布局方式與1.0型有所不同。
左側為1.0型，右側為1.1型
獵鷹9-1.0型
獵鷹9-1.1型
這麼多發動機，同時保證他們的可靠性可不是一件容易的事情。實際上，SpaceX給出了他們自己的解決方案：動力冗餘。在火箭飛行的過程中，這9台發動機當中任何1台因故障關機，都不會影響獵鷹9火箭完成發射任務的能力。當火箭飛行了90秒的時間後，壞掉2台發動機都沒事兒。（當然，因燃料泄漏而引起爆炸的事故除外。）
第7次發射：2013年12月3日；
第8次發射：2014年1月6日；
第9次發射：2014年4月18日；
第10次發射：2014年7月14日；
第11次發射：2014年8月5日；
第12次發射：2014年9月7日；
第13次發射：2014年9月21日；
第14次發射：2015年1月10日；
第15次發射：2015年2月11日；
第16次發射：2015年3月2日；
第17次發射：2015年4月14日；
第18次發射：2015年4月27日；
第19次發射：2015年6月28日；
第20次發射：2015年12月22日。
獵鷹9系列火箭採用了芯級通用的設計理念。每個芯級都由9台默林1D發動機提供動力。將來的獵鷹9重型火箭在發射的時候，會由27台發動機來產生推力，其推力大小相當於15架波音747客機推力的總和。注意圖中左下角等比例放置的一個小人兒。
小火箭對獵鷹9火箭進行了建模，並採用多約束制導律復現了獵鷹9火箭的第一級回收彈道。制導演算法詳見小火箭在2012年的論文：
Xing, Qiang, and Wan. C. Chen. "Segmented optimal guidance with constraints on terminal angle of attack and impact angle." 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA. Vol. 257. 2012.
如果有更好的演算法，也可以將制導律或者模擬彈道發給小火箭一起討論噢。
用3DMAX建模後，第一級火箭的樣子初見端倪。為後續的氣動計算打下了基礎。
從上往下看獵鷹9火箭第一級。注意其撐開的四根支柱。
從下往上看獵鷹9火箭第一級。注意其9台發動機的噴管和4片柵格翼。
柵格翼用在如此巨大的火箭上尚無可以借鑒的模型。小火箭需要對柵格翼的氣動流場和其受力情況進行建模和模擬計算。
為了算個氣動，小火箭也是拼了。柵格翼的量取和模型搭建還是很有意思的。就是氣動計算的過程有些耗費時間。這是氣流流過柵格翼時的情況。
柵格翼對一級火箭的姿態穩定起到了一定的作用。
近距離看氣流迎面吹來的樣子。
用更密一些的流線來表現氣流的流場，雖然用的時間更久，但是能夠出結果，還是值得的。
柵格翼表面壓力分布情況
獵鷹9號火箭第一級回收模擬。
模擬參數：默林1D發動機，海平面比沖：282秒；真空比沖311秒；第一級發動機上升段工作時間：180秒。
一二級分離示意圖
獵鷹9號火箭的第一級在與第二級分離後，用3台發動機完成了程序轉彎的過程。在太空中利用姿態控制火箭使箭體旋轉180度，令第一級的9台主發動機朝向地面，進行「Boostback Burn」減速。
當第一級再入大氣後，進行「Entry Burn」減速，並逐漸調整箭體姿態。在火箭接近地面時，第一級火箭頂部的四個柵格翼展開，對箭體姿態進行穩定。主發動機再次點火，利用略低於火箭重量的推力使火箭進一步減速。火箭第一級利用帶有終端角度、速度和位置約束的制導律接近地面著陸場並實施軟著陸，實現火箭第一級的回收。
SpaceX官方給出的第一級火箭回收過程示意圖，黃色實線為上升段彈道，綠色實線為下降段彈道。
獵鷹9火箭第一級的回收成功終於使該系列火箭贏得了眾人的喝彩。回顧SpaceX公司從2002年6月由艾倫·馬斯克建立以來的發展歷程，我們不難看到，優秀的管理理念和設計理念在航天領域以及其他高科技公司領域的重要性。
SpaceX公司從創立伊始到第1枚獵鷹9火箭上天，總花費為4.4億美元。如此低的運營和研發成本，除了有借鑒NASA大量成熟技術的因素之外，還有組織架構合理這個重要原因。
SpaceX的員工在2005年11月還只有160人，此時基礎的系統研發已告一段落。到2008年7月，該公司的員工剛剛超過500人，獵鷹1號火箭也就是在這一年完成了首飛，成為世界上第一個抵達了近地軌道的私人航天器。到2010年，該公司的員工有1100人，此時獵鷹9號火箭已嶄露頭角。
精簡的人員配置摒棄了官僚味道濃厚的傳統架構，使得公司的運營成本大幅降低，新的創意也不會被過早地扼殺在無窮無盡的項目評審會和研討會中。
但願世界上會多幾家像SpaceX這樣的公司，同時也對全球所有的仍在航天科研第一線奮鬥的人們致敬。畢竟，以航天科技人員的理論水平、學習能力和拼搏精神，他們原本可以在其他行業獲得數倍於航天工程師的收入。支撐人們繼續下去的，有抬頭仰望的情懷，當然還得有未來將更加美好的希望。
註：本文已由邢強博士獨家授權小火箭刊發。
微信號：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
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