一文讀懂全球最強大重型火箭首飛成功：把跑車送上太空十億年

參考：科普中國、語宙、中國新聞網、DeepTech深科技、虎嗅網

【騰訊科技綜合報道】特斯拉創始人埃隆·馬克斯（ Elon Musk ）被譽為矽谷「鋼鐵俠」，他創辦的另一家美國太空探索公司Space X再創奇蹟。美國東部時間2月6日15:45分(北京時間2月7日4:45分)，Space X成功發射獵鷹重型火箭(Falcon Heavy)。獵鷹重型火箭從佛羅里達肯尼迪航天中心發射升空，隨後完成了一級火箭的分離和回收。

一、關於獵鷹重型火箭的發射

據美國宇航局官網(NASA)6日消息，當地時間下午3時45分，獵鷹重型火箭在位於卡納維拉爾角(Cape Canaveral)的肯尼迪航天中心LC-39A平台順利升空。火箭上搭載著SpaceX公司旗下的一輛特斯拉紅色敞篷跑車Roadster升空。車座上還放置著一個假人模型，作為演示。車內設有攝像頭，供實時拍照，監控車輛情況。

火箭直升雲霄，按照既定軌道持續升空，位於美國弗羅里達州卡納維拉爾角的航天發射中心硝煙四起，非常壯觀。

獵鷹重型火箭共有3枚一級火箭和27個引擎，發射時可產生約227萬公斤的推力。其中，2個火箭助推器完成過2016年獵鷹火箭的發射任務。

火箭升空後大概三分鐘，完成了助推器分離，這是獵鷹重型火箭起飛過程中的一大關鍵時刻。然後，火箭剩餘部分繼續飛行，逐步進入既定軌道，火箭上的攝像機拍下了畫面並傳送給地面，看上去已經逐漸脫離了地球軌道。

若推進器能回收成功，未來該公司將再度利用，以降低發射成本。正因為運用了回收火箭發射部件，這枚獵鷹重型火箭的成本為9千萬美元。據知，正在調試中的Delta IV重型火箭成本約達3.5億美元。

SpaceX首席執行官埃隆·馬斯克(Elon Musk)稱，獵鷹重型火箭的任務目標是把這輛跑車送上火星軌道。

太空艙計劃穿過地球范艾倫(Van Allen)輻射帶，進入霍曼轉移軌道(Hohmann transfer orbit)。這一軌道將幫助太空艙節省燃料，盡量接近火星，遠離太陽。該公司稱，跑車將不會靠近火星，不存在將地球的微生物帶入火星的可能性。

對於美國航天業來說，獵鷹重型火箭的成功發射意味著在太空梭退役後，美國人又一次有了將宇航員帶入太空的能力，無需再依賴俄羅斯飛船。而另一方面，作為目前世界上運載能力最強的火箭，獵鷹重型火箭的運載能力是目前最大火箭的兩倍，它的成功發射意味著人類探索太空的一個新開端。

二、獵鷹重型火箭的創新

獵鷹重型火箭，是SpaceX最先進的研究成果，原計劃2013年首發、但經過數次推遲，剛剛完成首次真正意義上的太空發射。

重型獵鷹火箭自身的超強性能和絕佳的性價比一舉打破了多項世界紀錄，使其成為目前人類現役的火箭中運載能力最強的一款。

近地軌道運載能力（LEO）：63.8 噸——相當於一架滿載乘客的波音 737 客機，比目前紀錄保持者德爾塔 IV 重型火箭的 28.8 噸足足提高了兩倍還多；

地球同步軌道運載能力（GTO）：26.7 噸——相當於二戰時英軍一輛「瑪蒂爾達」II 型坦克；

火星軌道的運載能力：16.8 噸——相當於一台 LAV3 裝甲車。

重型獵鷹火箭高70 米，寬12.2 米，起飛重量1420 噸，起飛時 27 台梅林 1D 發動機同時工作，可以提供高達2280 多噸的起飛推力。這種運載能力也只有專用登月的土星 5 號和前蘇聯的太空梭「御駕」能源號火箭可以俯視。

另外，火箭還具有部分回收功能，可順利返航並回收利用。

關於獵鷹重型火箭所運用到的創新技術，「語宙」列舉了幾個創新點，主要包括：

1、多發動機組合的高可靠性設計技術

「獵鷹重型」運載火箭一子級採用27台Merlin-1D+發動機，是當前世界上發動機數目最多的火箭。在傳統設計理念中，為避免採用多發動機導致複雜的耦合振動、火箭推重比下降、系統可靠性降低等問題，火箭一子級發動機數目通常控制在10台以內。歷史上曾有N-1火箭一子級採用了30台發動機，但其四次發射均以失敗告終。「獵鷹重型」運載火箭一子級大膽採用了挑戰傳統的27台發動機方案，但採用先進的設計手段確保了其高可靠性。

2. 動力冗餘技術

「獵鷹重型」運載火箭所採用的動力冗餘技術是指在其主動段飛行過程中，當1台或多台發動機發生故障，在不影響其餘發動機正常工作的情況下，箭載控制系統對故障發動機實施緊急關機、故障隔離，繼續執行並完成主發射任務的一項技術。該技術極具挑戰性，涉及的主要關鍵技術包括：一是動力系統故障診斷隔離技術；二是彈道在線規劃與重構技術。

3.可重複使用技術

「獵鷹重型」運載火箭一子級各個通用芯級均安裝有柵格舵，可用於輔助箭體再入過程中姿態穩定控制，並提供一定的氣動阻力用於減速。各個通用芯級的著陸裝置為四個支腿，在火箭發射後的上升段及再入過程中收攏於箭體，當火箭一子級減速即將著陸於地面或海上平台之前展開；支腿由液壓裝置執行收攏展開，並具有展開後鎖死的能力；支腿主要由碳纖維及鋁合金蜂窩板構成，輕質且能滿足載重需求；支腿帶有液壓減震器，可進一步減緩垂直著陸帶來的巨大衝擊。

4.發動機節流技術

為保證一子級助推器分離時芯級仍有最多的推進劑，達到延長芯級飛行時間、提升火箭運載能力的目標，「獵鷹重型」運載火箭在設計之初擬採用在一子級助推器與芯級之間通過交叉管路連接實現推進劑共用的推進劑交叉輸送技術。該技術的實現難度較大，目前仍有許多難點問題待解決。

在首飛任務中，「獵鷹重型」運載火箭主要充分利用一、二子級發動機的節流變推力能力，來替代推進劑交叉輸送技術實現其擬達到的目標。該方式與採用推進劑交叉輸送技術相比可減小火箭設計複雜性，降低風險發生概率。

5.其它技術

「獵鷹重型」運載火箭採用了牽制釋放技術，在火箭豎立發射台點火起飛前，通過集成在發射台的牽制釋放系統牽制住火箭，同時讓火箭發動機豎立發射台低工況工作一段時間，對發動機主要敏感參數進行採集和評估分析，快速判斷發動機工作狀態，以提升火箭發射可靠性。

「獵鷹重型」運載火箭採用了新型輕質箭體結構技術，氧箱利用鋁鋰合金殼體橫造技術既能保證安全又可大幅降低結構重量，燃料箱利用箱壁桁條以及環形結構設計增加其承載能力。整流罩、助推頭錐採用的複合材料，確保了質量最輕。該火箭還按照NASA載人發射標準進行了結構安全裕度設計。與其它火箭採用25%的結構安全裕度不同，「獵鷹重型」火箭是按比飛行載荷高出40%的結構安全裕度來設計的。儘管結構安全裕度高於其它火箭，但「獵鷹」重型運載火箭火箭捆綁助推器的重量比高達30，優於史上任何火箭。

除此之外，例如重型獵鷹火箭的助推器分離和一二級分離均採用的無損式「冷分離」模式（主要為冷氮噴射或機械式推桿）也是一大亮點，其相較於更為傳統的爆炸式「熱分離」無疑會更具優勢，目前，SpaceX 所進行的數十次冷分離操作無一失敗，證明足以被其他人借鑒應用。

三、馬斯克和space X

2011 年 4 月 5 日，馬斯克在美國全國新聞俱樂部上首次宣布了獵鷹重型火箭的計劃。

當時美國的航天業似乎已經陷入了前途未卜的困頓之中，僅僅幾個月之後，美國人引以為傲的太空梭就迎來了最後一飛，之後便徹底終結了歷史使命。

內外交困之中，馬斯克帶來了希望，他大膽承諾，重型獵鷹的運載能力將達到太空梭和德爾塔 IV 重型火箭的兩倍以上，只需要發射一次就可以將宇航員送上月球甚至火星。同時，在記者們的追問之下，他還大膽給出了重型獵鷹火箭的首飛時間：2012 年底。不過，就像馬斯克本人當時所說的一樣，「發射這件事本身就很難預測」，幾經拖延之後，直到今天他才兌現了當時的諾言。

事實上，這次的火箭發射任務也可以說是馬斯克的一次太空Show。

在火箭發射的前一天，馬斯克的 Twitter 就開始不斷「刷屏」。先是推出一支最新的重型獵鷹概念片，後又貼出了幾張頗具年代感的太空海報，隨圖配文「Mars Awaits」。

至於送上火星軌道的特斯拉Roadster跑車，則是去年11月發布。相比此前款式，全新Roadster性能更強，0至96公里每小時加速僅需1.9秒、續航力達1000公里，售價則為20萬美元（約126萬元人民幣），將於2020年量產。而此次獵鷹重型火箭承載的Roadster，是一台漂亮的紅色版本，還配備了一個穿著SpaceX宇航服的假人駕駛員。

馬斯克還表示，特斯拉跑車將被送至火星軌道，順利的話會在太空中漂浮數十億年。

四、業內點評

資深軍事科普作家空天松鼠在騰訊新聞「如何看待馬斯克成功將全球最大火箭送上太空？」這一問題下回答道：這次發射絕對是歷史性的一幕，一家私營公司用5億美元（Musk: Total investment is half a billion. Probably more.）研製了這麼大運力的重型火箭，從NASA到CNSA，各個國家官方航天機構的臉都腫了。

重型獵鷹火箭運力大，可以打各種大型載荷，從龍式載人飛船到畢格羅的充氣空間站，還有NASA的深空探測器，比如歐羅巴快車和果汁（Juice），以後外太陽系探測器都可以用重型獵鷹打，便宜又高效。

科普中國專家鄭永春坦言，號稱史上推力最大的獵鷹重型運載火箭，攜帶著馬斯克的另一作品，一輛紅色的特斯拉跑車，離開地球，飛往火星。馬斯克宣稱，這兩跑車將在太空中飛上幾十億年。航天是高投入、高技術、高風險的事業。

幾年前，當馬斯克宣布要自己研製火箭時，大家認為他是在吹牛。幾年前，他宣布要實現火箭回收再利用時，大家認為他是在吹牛。現在他宣布要是有生之年，實現移民火星時，大家還是認為他在吹牛。但是，馬斯克用他那近乎狂妄的夢想、超強的意志、強大的執行力，實現了一個又一個曾經吹下的牛皮。我是馬斯克的強烈擁護者，幾年前，曾經數次撰文，用SpaceX的經驗，為商業航天在中國的發展鼓與呼。鄭永春認為，這個世界的變革，是由像馬斯克、喬布斯等這樣的一些堅定甚至偏激的夢想家和實踐家推動的。發射成功後，所有人都在關注馬斯克這次又成功了。但實際上，獵鷹重型火箭發射後，最昂貴的芯一級火箭回收卻失敗了。芯一級火箭原計劃在佛羅里達州附近的海上浮動平台著陸，結果三台發動機只有一台點火，導致火箭墜入海水中，但已經沒有人關心火箭回收是否成功了。大家只關心他飛往火星的夢想能否實現了。但這個夢想的實現，需要經受更長時間的懷疑、寂寞、等待、失敗，才能得以實現。人類因夢想而偉大。

關於獵鷹重型火箭發射的難度，科普中國表示，在正式發射前，太空探索公司已經做了大量的準備和模擬工作。1月份，獵鷹重型火箭完成靜態點火測試，該試驗原計劃持續12秒，主要驗證火箭的點火時序，振動情況和推力平衡情況。靜態點火（Static Fire）試驗，又稱系留點火試驗，是一種火箭發射前的預先點火試驗。

馬斯克自己此前也曾表示：「這枚巨型火箭很可能會爆炸......」「太空事業很難」，這是火箭科學家們最喜歡說的一句話，馬斯克也有同感。不過好在此次發射成功進行，這是人類太空史上重要的一筆。未來，獵鷹重型也將成為spacex公司火星殖民的很大一部分，他們將在計劃前期向火星發射大量物資。

最新消息，此次發射幾乎完好無損地回收了其中兩個助推器，不過可惜的是，該火箭的核心推進器掉入了水中，隨後丟失。兩個側推進器分別著陸在肯尼迪空軍基地的LZ-1和LZ-2著陸點，這也是SpaceX此前回收火箭的著陸點。不過，原計劃降落在大西洋海上無人回收平台「Of Course I Still Love You」上的核心中間推進器，由於返程引擎未能啟動，助推器不幸以300英里/小時的速度跌入水中，然後丟失。

儘管如此，成功回收三個助推器中的兩個仍然是一項巨大的成就，這不僅證明了SpaceX在回收助推器方面的進步，同時也為馬斯克的願景——開發可回收宇宙飛船提供了新的概念證明。自從宣布獵鷹重型火箭後，馬斯克就一直在強調這枚火箭的首次飛行將是一次「高風險飛行」，因為讓這枚火箭升空並讓三個助推器都著陸需要很高難度的協調，堪稱是「空中芭蕾」。

毫無疑問，SpaceX的獵鷹重型火箭發射成功，對於人類探索太空意義重大。據悉，馬斯克希望在獵鷹重型火箭發射成功後，通過它搭載Dragon飛船、實現載人環遊月球軌道並安全返回地球的計劃，時間則是2018年內。看起來，馬斯克的目標很快就會實現了。

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