重型獵鷹：沒你想像的那麼成功
昨天有沒有被載著特斯拉上天的火箭刷屏？今天一早，我們收到了一位有不同看法的作者來稿，作者曾在美國阿拉巴馬州NASA航天中心學習火箭工程與載人航天史，歡迎有興趣文末留言或與其探討～
說到SpaceX的Falcon系列火箭不得不提的就是它的一級回收再利用能力。
從歷史上來說，回收運載火箭不是一門新學問，早在太空梭（STS）時代，美國人已經能夠回收並且重新使用太空梭軌道器和兩個固體火箭助推器（SRB）了。可是助推器使用降落傘濺落在海上，經過水浸，打撈，維修整備成本太高，另外，軌道器在再入後需要大量的維修才能進行下一次發射，浪費資金和時間，而且軌道器的自重太大，也相應減少了商載的質量。這些都為太空梭的退役埋下伏筆。
與太空梭助推器的降落傘濺落+軌道器升力體滑降的回收方式不同，SpaceX的獵鷹系列選擇的是動力回收，即通過發動機製造反推力來減速。在一個正常的獵鷹9號全推力型（Falcon 9 v1.2 Full thrust，以下簡稱FT）發射過程中，一二級分離後，二級主機開機繼續加速載荷，一級在RCS（反映控制系統）幫助下逆向飛行，隨後主引擎開機，將一級從原發射軌道變入返回軌道，沿軌道飛回卡拉維納爾角（或無人船）的過程中，一級在此逆向開機，以減少速度防止與大氣摩擦過熱，隨後打開柵格穩定翼，最後，在低空主機再次開機，著陸架在接地前展開，隨後一級接地。
獵鷹FT一級有9個莫林（Merlin）1D主發動機，二級有一個莫林1D真空發動機。在整個返回過程中，莫林發動機需要三開三關，並且能夠精確控制推力大小。相比時下流行的液氫液氧燃料，獵鷹系列使用的是煤油液氧燃料，這使得SpaceX在避開偏二甲肼+四氧化二氮的劇毒組合後，還能降低成本，儘管重量也會隨之增加。
獵鷹重型（Falcon Heavy，以下簡稱FH）在芯一級兩側捆綁了兩枚一毛一樣的一級火箭，類似波音德爾塔4重型火箭（Boeing Delta IV Heavy）的布置。為了確保在BECO（助推器關機）和MECO（主機關機）之間有35秒的間隔，同時最大化燃料效率，FH的芯一級在離地後不久會減小推力以節省燃料，推力會在助推器分離後重新提高（SpaceX原本的想法是在助推器和芯級間實現交叉供油以便更早扔掉助推器，然而這顯然。。。很不現實）。
這次發射的FH火箭的兩隻助推器來自2016年5月發射泰國通信衛星8號（Thaicom-8）的FT火箭一子級和2016年7月為補給國際空間站（ISS）發射龍式（Dragon）9號貨運飛船的FT火箭一子級。如果你仔細觀察，可以發現助推器的柵格翼是黑的，這次發射將是他們的第二次飛行。
（波音德爾塔4重型火箭（Boeing Delta IV Heavy）
兩個助推器成功地同時降落在了肯尼迪航天中心的LZ-1和LZ-2上。
然而芯一級卻出現了問題，這是本次發射中第一個失利：芯一級墜海。
（發射前FH火箭，可見助推器上的柵格穩定翼1是黑色的）
FH火箭的助推器分離與一二級分離之間有34秒的間隔，34秒的時間內火箭能飛出去很遠，所以讓芯一級返回卡拉維納爾角是不現實的，SpaceX為芯一級在大西洋上準備了無人駁船「我當然還愛你」（Of Course I Still Love You）號以降落芯一級。然而芯一級並沒有降落在船上，而是以300英里每小時（大約500千米/時）的速度摔入了距離駁船300英尺（100米）左右的海里。
筆者看了直播視頻，芯一級最後的清晰畫面是打開柵格穩定翼，目測高度應該在3萬米左右，根據程序推測第二次返回點火已經完成並關機，隱約還能看見RCS調姿。
芯一級的最後可用畫面是一片灰白，不停有水滴網鏡頭上撞，筆者推測這有可能是穿雲的畫面或者是已經墜毀，根據信號判斷，更可能已經墜毀。根據新聞發布會，事故的原因是發動機化學打火劑TEA-TEB（三乙基鋁與三乙基硼烷）用盡，導致第三次需要開機的三台發動機中，只有一台點火。以莫林1D的性能，大車狀態下的一台發動機足以讓出於返回狀態下的芯一級成功著陸。
根據500公里的濺落速度，不難推斷出三次點火併沒有成功或持續很長時間，個人分析主要有兩個原因：
一：獵鷹芯一級不接受全推力著陸。這個理由很充分，全推力著陸很可能會對著陸區與駁船造成不可逆的損傷（高溫高壓）。
二：推力不對稱。獵鷹芯一級的9台莫林發動機以8台圓形，1台在圓心的方式排列。三點火的三台發動機是中心一台加上外側對稱的兩台。如果能工作的是外側發動機，那麼點火勢必造成偏轉力矩，導致箭體自旋失控，有撞上駁船的風險，必須關機。
至於為什麼會用完點火劑，非常值得思考。正常情況下每次點火的時間都是計算妥當的，點火劑和燃料應該不會少。點火劑用光，正是證明了SpaceX缺乏冗餘設計（可能是為了成本）。
說到什麼東西加少了，SpaceX絕對是這方面的專家。
2014年9月21日獵鷹9號V1.1F13搭載龍4號飛船起飛後，返回時液氧用光發動機無法點火，一級最終墜毀。
2015年1月10日獵鷹9號V1.1F14搭載龍5號飛船起飛後，返回時柵格穩定翼由於液壓油沒了所以無法控制，一級最終墜毀。
2016年3月4日獵鷹9號FT搭載SES-9通信衛星起飛後，由於衛星發射地球靜止轉移軌道（高度較高），所以一級返回時剩的燃料太少，由於缺少燃料，一級最終墜毀。
然後就是這次了，卻少點火劑，芯一級墜毀。
SpaceX即將在今年年底發射載人的二代龍式飛船（Dragon V2），對於載人航天來說，冗餘設計尤為重要，這是SpaceX的弱點，也是SpaceX急需改進的地方，生命非兒戲，沒有人願意看到，下一個用光的，是飛船上的氧氣。
這次發射的第二個失敗是入軌精度，特斯拉跑車的預定軌道是以太陽為環繞物體，近點在地球軌道，遠點在火星軌道的橢圓軌道，也就是近點1AU，遠點1.52AU的橢圓軌道（AU=天文單位，1AU=平均日地距離），實際上，根據馬斯克在推特上公布的入軌數據，特斯拉軌道近點0.98AU，遠點2.61AU，遠日點已經接近小行星帶的穀神星軌道。
FH火箭的二級使用一台莫林1真空發動機，和FT火箭的二級通用。這次飛行中，二級火箭開機了三次，一次是在一二級分離後，另一次是在SECO-1（二級一次關機）的滑翔段結束後圓化軌道是，第三次是穿過范艾倫輻射帶後將特斯拉抬入地球逃逸軌道的變軌機動。這次入軌的失敗，主要是第三次入軌時間太長了，發動機沒有及時關機，高點抬得太高了。
第三次的變軌機動雖然是最複雜的，由於涉及到相對地球的逃逸以及相對太陽的變軌，但是無論如何變軌都是朝一個方向將發動機點火一段時間後關機。我不相信SpaceX在計算軌道方面會有任何的問題，我更認為這是關於發動機三次重啟開機的技術問題，畢竟之前獵鷹系列火箭並沒有做過這樣的試驗，但是這也能反映出莫林發動機隱藏著的一定問題。
SpaceX在發動機關機方面之前也出現過問題，例如2015年4月14日，搭載國際空間站提供補給的龍6號飛船的獵鷹9號V1.1F17火箭的一級在駁船降落時由於引擎未能及時關機而回收失敗。雖然之前出現事故的是一級，但是一級和二級使用的發動機都是莫林1D。
SpaceX應該藉此為契機，仔細檢查與改進莫林發動機，為今後的載人航天打下紮實的基礎。
總的來看，這次FH的試飛是成功的，然而暴露出的問題仍說明了SpaceX在設計理念方面就有一定的缺陷，而且在之前的事故中並沒有舉一反三，如果要在今後成功地全商業化運行，必須要克服這些思想上的困難。從另一個更為嚴苛的角度來看，如果昨天的發射是商業飛行，那發射已經失敗了——載荷未能進入預訂的軌道。這也側面證明了運載火箭的一條金律——關鍵不是打得多遠，而是打得多准。
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