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重型獵鷹——瞄準軍事項目

想要贏取美軍航天器的發(fā)射合同，僅憑一枚中型運載火箭這顯然是不夠的。以前文提及的同步軌道先進電子偵查衛(wèi)星“獵戶座”為例，盡管偵查衛(wèi)星的所有方，美國國家安全局從未披露過該設(shè)備的細節(jié)信息，單根據(jù)多方推測，大致可以認定其重量在5.2噸上下。該數(shù)據(jù)小于迄今為止獵鷹9火箭發(fā)射過的最重GTO載荷。然而，因其執(zhí)行的特殊任務(wù)所需，這枚衛(wèi)星安裝有一具在完全展開后直徑可達330英尺（約100米）的巨型天線。顯然，該設(shè)備即便在折疊發(fā)射狀態(tài)下，尺寸仍舊超過大多數(shù)常規(guī)載荷，需要一個超大型整流罩來包裹。而ULA旗下的德爾塔4H重型火箭，迄今為止已被證明可靠、安全，具有強大的運載能力并可以發(fā)射超大型尺寸載荷，無疑是最理想的發(fā)射平臺。也是基于上述原因，盡管SpaceX在民用太空資產(chǎn)的發(fā)射業(yè)務(wù)中，從ULA手中硬搶來了半壁江山，但卻無力涉足其利潤的根本——軍事航天項目。

憑借宇宙神與德爾塔兩個系列的火箭，ULA目前牢牢地壟斷著美國的軍事航天發(fā)射市場。而該聯(lián)盟憑借長期對軍事航天發(fā)射市場的壟斷，逐漸在該行業(yè)內(nèi)形成“馬太效應(yīng)”。例如本次發(fā)射的先進獵戶座電子偵察衛(wèi)星，就是目前其他企業(yè)無法勝任的一項任務(wù)

想要擠入軍事任務(wù)這個市場，就要求SpaceX獲得一種強大的運載發(fā)射平臺——在具有強大的運載能力的同時，可以將大體積設(shè)備送入軌道。同時，該平臺的可靠性必須較之現(xiàn)有標準更高。因為與民用設(shè)備相比，軍事航天器的價格將成倍增長。此外考慮到企業(yè)自身的資金能力，該平臺仍需要可以在資本市場中凸顯出其價值的特征。

而被寄厚望，可以使之躋身美國軍事航天發(fā)射市場的產(chǎn)品，便是重型獵鷹（Falcon Heavy）項目，SpaceX的重型火箭計劃。

該計劃最早可被追溯到2010。在SpaceX官方于2011年4月5日召開的新聞發(fā)布會上，埃隆·馬斯克首次對著新聞界正式宣布了該項目的存在：重型獵鷹火箭將是自阿波羅計劃的土星五號火箭以后，運載能力最強大的火箭，將推動政府和商業(yè)空間項目進入一個全新的時代。

所謂重型獵鷹，實質(zhì)上乃是SpaceX設(shè)計火箭玩弄“堆砌”概念的又一直接體現(xiàn)。其大致上可以看做1枚完整的獵鷹9型和2枚獵鷹9一子級的組合體，在起飛階段，將有多達27枚梅林-1引擎同時工作。該構(gòu)型使得重型獵鷹成為自蘇聯(lián)時代N1超級火箭以來，起飛級安裝發(fā)動機總數(shù)最多的一款火箭。

獵鷹9 + 獵鷹9 + 獵鷹9 = 重型獵鷹。這些事SpaceX方面美編繪制的重型獵鷹效果圖

除了火箭的構(gòu)型和發(fā)動機數(shù)量，按照SpaceX宣布的信息，重型獵鷹火箭計劃于今年底首飛，然而火箭的運力數(shù)據(jù)則宛如一部玄幻小說。

根據(jù)2014年前后官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，其近地軌道運載能力達到了驚人的53噸。該頁面在今年4月間又被更新，重型獵鷹火箭的近地軌道運力進一步“提高”到54.4噸，火星軌道運力從12噸被改為13.6噸。此外，SpaceX官網(wǎng)還宣稱重型獵鷹具有22.2噸同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力。

對比迄今為止的事實，上述數(shù)據(jù)堪稱魔幻。首先，我們在本系列文章的上一期已經(jīng)介紹過，迄今為止獵鷹9號火箭發(fā)射的最重型載荷，是2016年3月4日-5日執(zhí)行的SES-9任務(wù)。在該任務(wù)中，載荷重5271千克。該任務(wù)的結(jié)局，是衛(wèi)星順利入軌，而執(zhí)行回收任務(wù)的火箭第一級，在回收試驗中因燃料耗盡而墜毀在著陸平臺之上。正如我們此前分析的那樣，此次任務(wù)其實在很大程度上已經(jīng)向外界暗示了獵鷹9FT版運載能力的極限——如果考慮放棄華而不實的回收操作，同時拆除用于執(zhí)行該任務(wù)的設(shè)備，并且不考慮再入減速所需要預(yù)留的額外燃料的話，其最大GTO運力當在5.5-5.7噸之間。也就是說，結(jié)合“重型獵鷹”火箭的構(gòu)型，SpaceX官網(wǎng)所宣稱超過22噸的GTO運力，無論從哪個方面看都非常的匪夷所思。當然，這點公司方面也意識到了，所以為了能夠讓其宣稱的眾多數(shù)據(jù)顯得真實可信，其最初還宣稱重型獵鷹將使用推進劑交叉輸送技術(shù)（Cross-Feeding）。【附錄01：推進劑交叉輸送】

不過，寫個網(wǎng)頁終歸是要比實際研發(fā)要容易的多。

無怪乎，今年4-5月間SpaceX官網(wǎng)數(shù)據(jù)修訂后，全世界的SpaceX擁躉開始歡呼雀躍，仿佛尚未出世的重型獵鷹憑借推進劑交叉輸送神功，已經(jīng)腳踩重型德爾塔、拳打阿麗亞娜5了。

綜上所述，現(xiàn)階段，重型獵鷹火箭的數(shù)據(jù)堪稱“霧里看花，水中望月”，看不懂，沒法肯定也沒法否定。所以我們姑且存疑、觀望，暫不做更多評價，換一個方向，對它的技術(shù)方案做一些定性分析。

重型獵鷹的問題，在于該火箭起飛階段多達27臺的發(fā)動機。因為就在40多年前，正由于起飛階段總計30臺NK33的拖累，蘇聯(lián)超級火箭N1連連失敗，最終葬送了紅色帝國的登月計劃。

起飛級安裝30臺小推力火箭發(fā)動機，空前也是絕后（起碼絕后到目前為止）的怪物，蘇聯(lián)時代本計劃用于登月任務(wù)的N1超級火箭

根據(jù)概率論基本原理，并聯(lián)工作的發(fā)動機數(shù)量越多，出現(xiàn)發(fā)動機故障的概率就越大，飛行中的運載火箭、一旦出現(xiàn)了單臺或者多臺發(fā)動機故障，就會面臨推力不足/推力不平衡等問題，有可能導(dǎo)致任務(wù)失敗?；谶@個考慮，自從N1火箭以悲劇告終，全世界航天界有一個不成文的共識：一子級＋助推級發(fā)動機的總數(shù)不要太多，最好不要超過10臺。以長征系列火箭為例，長征2E/F、長征3B都是8臺發(fā)動機，而長征5則是10臺，已經(jīng)達到了安全上限。事實上，自N1這個超級煙花夭折以后，世界各國研制的各型火箭大致都遵守上述原則。

也許有人會提出反對意見：錯！蘇聯(lián)解體前開發(fā)的“能源”火箭，你數(shù)數(shù)尾噴管數(shù)量，助推器＋起飛級，明明安裝了20臺發(fā)動機……然而這是一個可以容忍的誤解：“能源”的四臺助推器使用的是RD170發(fā)動機，因為蘇聯(lián)沒有解決液氧煤油燃料的單燃燒室超大推力穩(wěn)定燃燒問題，采用了獨特的四噴管結(jié)構(gòu)——四個燃燒室、四個噴管構(gòu)成一臺發(fā)動機。所以“能源”在起飛階段是4臺RD170＋4臺RD0120，總共8臺發(fā)動機，依然遵守這一原則。

蘇聯(lián)時代的寶貴遺產(chǎn)，能源號超級火箭。由于采用了構(gòu)型獨特的RD-170引擎，該火箭有著容易引人誤解的造型

那么，多發(fā)構(gòu)造的火箭，在任務(wù)過程中一旦出現(xiàn)發(fā)動機故障問題，能有什么補救措施呢？這個問題，可以通過設(shè)計時預(yù)留的冗余推力，加上補償性關(guān)機的辦法解決——當某臺發(fā)動機故障不得不緊急關(guān)機時，系統(tǒng)可按照預(yù)設(shè)好的推力平衡方案，補償性關(guān)閉其它對應(yīng)位置的發(fā)動機，以便維持推力平衡。由于火箭設(shè)計時均考慮預(yù)留冗余推力，所以一般來說火箭仍可以正常飛行。所以從理論上來說，“重型獵鷹”在起飛階段有多達27臺發(fā)動機并聯(lián)工作、起飛推重比1.49（普通的運載火箭通常為1.25-1.35），看起來是可以輕松應(yīng)對這種麻煩的。

但是，這種樂觀的分析結(jié)果建立在故障發(fā)動機緊急關(guān)機后、不會波及相鄰發(fā)動機這個前提下，事實真的有這么美好？

液體火箭發(fā)動機為了追求高比沖、大推力、極高的推重比，所有零部件都是工作在極限狀態(tài)下，當發(fā)動機出現(xiàn)故障需要緊急關(guān)機，就意味著出現(xiàn)了“原因不明的損傷”，特別是燃氣發(fā)生器循環(huán)/高壓補燃循環(huán)發(fā)動機，高速旋轉(zhuǎn)的渦輪泵等運動部件出現(xiàn)損壞的可能性很大。這個時候，最糟糕的結(jié)局，是零部件碎片擊穿了相鄰的發(fā)動機……“轟”的一聲，一個超大號煙花就這么誕生了，大羅金仙也救不回來。當然，在這種時候，采用富燃循環(huán)的發(fā)動機，燃氣的破壞力比富氧循環(huán)弱，故障的發(fā)展也更加溫和，這可能給“重型獵鷹”火箭選擇27發(fā)并聯(lián)方案增加了些許底氣吧！

2014年10月20日，軌道科技公司（Orbital Sciences Corporation，OSC）研制的天蝎座火箭在攜帶天鵝座飛船發(fā)射起飛6秒后，即因引擎故障發(fā)生大爆炸。該公司是2008年，NASA搞的民間太空物流的兩大“試點”企業(yè)之一

然而，就是這么一種直線思維的堆砌產(chǎn)物，卻被SpaceX及其掌舵人馬斯克計劃用于和ULA爭奪最具利潤的軍事發(fā)射項目。是不是很滑稽？是的，這確實有幾分胡鬧的色彩，但更多的是基于無奈。無奈在哪？用埃隆·馬斯克自己的話來說：引擎問題已成為制約SpaceX火箭項目的核心矛盾。所以，公司方面在努力拓展業(yè)務(wù)，占據(jù)市場的同時，需要全力推進其新一代液氧甲烷引擎項目。而該項目的成果——獵鷹引擎，暫時還不能投入使用【附錄02：液氧甲烷發(fā)動機項目】。