重型獵鷹運載火箭詳解

五月初，SpaceX在其位於德克薩斯州的麥格雷戈(McGregor)火箭研發基地，完成了一枚重型獵鷹中間芯級火箭的靜態點火測試。

重型獵鷹運載火箭（Falcon Heavy）今年一旦發射，它將成為世界上最強大的服役火箭。它近地軌道載荷可達54噸（119000磅），相當於一架滿載乘客、船員、行李箱和燃料的波音737噴氣式客機的質量。重型獵鷹的有效載荷是僅次於它的三角洲4號火箭（Delta IV Heavy）的兩倍以上，成本卻僅為其三分之一。

重型獵鷹火箭繼承了獵鷹9號運載火箭（Falcon 9）的經驗與可靠性。其第一級由三個獵鷹9號引擎內核組成，其中27台梅林引擎（Merlin engine）的共同推力達500萬磅(22200千牛)，等於18架波音747的推力總和。歷史上，只有在1973年退役的土星5號運載火箭（Saturn V）擁有更多的軌道載荷。重型獵鷹火箭的使命是將人類送往太空，並重塑了人類登月甚至到達火星的可能性。

負載

重型獵鷹火箭將在複合整流罩內裝配大量負載並送進軌道，也可以攜帶龍飛船。

複合整流罩分解圖

第二級火箭

重型獵鷹火箭採用了獵鷹9號經過多次認證的設計，最大限度地減少了多級分離次數、提高了安全性。第二級的梅林引擎與獵鷹9號上的相同，它在主引擎熄滅、第一級核心分離後，將繼續推進載荷進入軌道。第二級引擎可以多次啟動，將載荷部署至各種軌道，包括近地軌道、地球同步轉移軌道（GTO）和地球同步軌道（GSO）。

第一級火箭

重型獵鷹火箭的第一級由三個引擎核心組成。兩個側核，又稱助推器，與中心核液氧罐的底部和頂部相連。 這三個核心共含27台梅林引擎，會在起飛時產生22819千牛（513萬磅）的推力。起飛後不久，中心核發動機會進入節流狀態；當側核分離後，中心核發動機便會從節流回到全力推進。

三個「9引擎」內核

重型獵鷹火箭共有三個引擎核心，每個核心都是九個梅林引擎的集群。這些引擎共同為重型獵鷹提供動力，使其成為世界上最具成本效益的重型運載火箭。配有27台第一級引擎的重型獵鷹，擁有著其他運載火箭無可匹敵的緊急引擎故障應對功能——在滿載的情況下，如果一台甚至多台引擎在某個飛行點熄滅了，它仍可以順利完成任務。

核心／引擎布局

技術指標

世界上最強大的火箭

各國火箭，到達近地軌道的載荷對比。

重型獵鷹運載火箭起飛時推力可達500萬磅(22200千牛)，很快將成為世界上最強大的服役火箭。這個推力相當於十八架波音747全力推進。以下是根據歷史發布數據製成的世界現役大型運載火箭的比較圖。重型獵鷹可將一架滿載乘客、船員、行李箱和燃料的波音737噴氣式客機送進軌道。只有1973年退役的土星5號運載火箭可與其匹敵。

整流罩

SpaceX的有效載荷整流罩是SpaceX公司內部研製的複合材料結構，用於重型獵鷹和獵鷹9號火箭。它可在運輸途中保護衛星安全抵達軌道，包括近地軌道（LEO），地球同步轉移軌道（GTO），甚至更高。整流罩高13.1米（43英尺），寬5.2米（17英尺），由鋁製蜂窩芯和碳纖維面板組成，分為兩個半殼（見圖一）。

來自：http://www.spacex.com/news/2013/04/12/fairing

在第一級火箭分離、第二級火箭切斷之前，兩個半殼垂直接合縫間的氣動系統會打開以部署衛星。第二級火箭會推動衛星進入軌道，然後釋放。

梅林真空引擎

重型獵鷹（重型獵鷹和獵鷹9號第二級設計相同）的第二級火箭由單個梅林真空引擎驅動，該引擎與第一級的引擎非常相似，只是調整為在真空中運行。像主要的梅林引擎一樣，真空引擎是由SpaceX內部設計和製造的。引擎設計為可持續燃燒約六分鐘，可根據需要多次關閉並重新啟動，以便將不同的載荷送進不同的軌道。引擎位於火箭的級間（第一級和第二級之間）。

火箭級間的外部構造與內部透視圖（含梅林引擎）

柵格翼

重型獵鷹的第一級火箭配備了超音速柵格翼，可以在第一級回收折返期間操控其升力的方向。

重型獵鷹結構

來源：http://www.spacex.com/news/2013/04/12/falcon-heavy-structure

重型獵鷹第一級火箭的三個引擎核心和其第二級火箭的外壁均由鋁-鋰合金製成。添加鋰後，材料變得比純鋁更強、更輕。重型獵鷹能承受超過預期40％的結構載荷，也就意味著它有40％的餘地保證結構安全，而其他大多數運載火箭只有25％的餘地。

每個核心和第二級火箭實際上都是用於存儲引擎燃料的大型儲罐。每個儲罐和密封儲罐的圓頂都是完全由SpaceX製造，使用SpaceX定製的攪拌摩擦焊機以保證最強最可靠的焊接技術。火箭結構也由SpaceX內部研製而成。

著陸腿

來源：http://www.spacex.com/news/2013/04/12/falcon-heavy-landing-legs

重型獵鷹火箭被設計為可完全回收。中央芯級和兩側助推器都攜帶著陸腿，起飛後可使每個核心安全地降落在地球上。在兩側助推器分離後，它們的中心引擎將燃燒並控制助推器的軌跡，使其安全遠離火箭。當助推器回到地球，著陸腿將會展開，使助推器輕輕降落在地面。中央芯級將繼續推進，直到第一級分離，之後它的著陸腿也會展開並返回地球。

著陸腿由最先進的含鋁蜂窩芯的碳纖維製成。在起飛期間，四條著陸腿貼著核心兩側放置，著落時向外展開。

圓形布局

來源：http://www.spacex.com/news/2013/04/12/falcon-heavy-octaweb

重型獵鷹火箭的三個核心的27台梅林引擎排列成名為「Octaweb」的結構——八個引擎圍繞每個核心的一個中心引擎。

現在九台梅林引擎的Octaweb布局是之前九宮格（3*3）布局的改良版。Octaweb是一種金屬結構，它支持著火箭基座上圍繞中心引擎的八個引擎。這種結構簡化了引擎的設計和組裝，也使製造過程更加流暢。

梅林引擎

來源：http://www.spacex.com/news/2013/04/12/falcon-heavy-merlin-engines

推動著重型獵鷹第一級火箭的梅林引擎是由SpaceX開發的，採用了以往空間引擎的設計。梅林引擎設計核心在於其軸針式噴油器，它最開始應用於阿波羅月球登陸艙。九引擎架構也是阿波羅計劃中土星1號和土星5號火箭所採用的改進版本。雖然阿波羅任務中的引擎曾莫名熄滅 ，但它仍有相當完美的飛行記錄。

有液氧和火箭煤油作為推進劑，一台梅林1D引擎在起飛時可以釋放845千牛（19萬磅）的推力，在火箭衝出大氣層後，推力可上升到914千牛（20.6萬磅）。引擎的真空比沖（用于衡量火箭或飛機發動機效率的重要物理參數，定義為單位推進劑的量所產生的衝量）非常高，為309秒。梅林引擎的推力重量比超150，這使它成為最有效的增壓發動機，同時仍保證搭載宇航員所需的結構和熱安全性。梅林引擎是SpaceX內部製造的。（翻譯：Gingerbrad 校對：柯寧）

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