运载火箭之猎鹰9号
运载火箭之猎鹰9号
猎鹰9号（Falcon 9，缩写为F9）是由SpaceX设计和制造的部分可重复使用二级火箭，也是世界首款轨道级可重复使用火箭。自2010年首次发射以来，猎鹰9号不断突破技术瓶颈，实现了多次成功回收，并在2020年成为首枚将宇航员送入轨道的商业运载火箭。本文将从多个维度对这款革命性的运载火箭进行详细解析。
国籍 | 研发机构 | 高度 | 直径 | 质量 | 级数 | 近地轨道载荷 | 同步转移轨道载荷 | 首次发射时间 | 服役情况 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
美国 | SpaceX | 70 m | 3.7 m | 549 t | 二级 | 22.8 t | 8.3 t | 2010.6.4 | 现役（仅FT Block 5） |
基本信息
猎鹰9号设计了多个版本：v1.0于2010—2013年使用；v1.1于2013—2016年使用；而v1.2（全推力型[3]）于2015年首次发射，其中包括自2018年5月开始使用至今的Block 5变体。
一级
猎鹰9号v1.2 Block 5一级使用九台梅林1D++（Merlin 1D++）发动机，单台海平面推力 903.0 kN（92.1 t），海平面比冲 2844 m/s（290 s），总推力 8127 kN。使用航天级过冷RP-1煤油和过冷液氧作为推进剂。梅林1D发动机使用燃气发生器循环，为回收和复用而设计，使用TEA-TEB作为点火剂，具备多次点火能力，能够在简单的维护后进行下一次发射。
一级干质比约为20。
二级
猎鹰9号v1.2 Block 5二级使用一台梅林1D真空改进版本（Merlin 1DV+）发动机，单台真空推力934.1 kN（95.3 t），真空比冲3413 m/s（348 s）。与海平面版相比，该发动机加大了喷管面积比，使得它的比冲更高。
二级干质比大于30，推重比很高。
整流罩
猎鹰9号整流罩（发射龙飞船时无整流罩）为覆盖碳纤维外皮的铝制蜂窝芯，直径5.2 m，长13 m，重约1.9 t，有时配备降落伞以溅落并进行回收。整流罩由SpaceX设计与制造，于2013年春季在普拉姆布鲁克站完成测试。
发射时序
猎鹰9号的发射时序变化很多，陆地回收、近海回收、远海回收时序不同，二级是否二次点火也不一定。
典型GTO任务
时序/s | Event | 节点事件 |
|---|---|---|
T - 3s | Engine start sequence | 发动机按顺序启动 |
T + 0 | Lift off | 起飞 |
T + 74s | Maximum dynamic pressure / Max-Q | 最大动压 |
T + 147s | Main engine cutoff / MECO | 一级关机 |
T + 151s | Stage separation | 一二级分离 |
T + 158s | Second engine start-1 / SES-1 | 二级点火 |
T + 222s | Fairing deploy | 抛整流罩 |
Entry Burn | 再入点火 | |
Landing Burn | 着陆点火 | |
T + 484s | Second engine cutoff 1 / SECO-1 | 二级一次关机 |
T + 1636s | Second engine start-2 / SES-2 | 二级二次点火 |
T + 1696s | Second engine cutoff-2 / SECO-2 | 二级二次关机 |
T + 1996s | Spacecraft separation | 星箭分离 |
典型LEO任务
时序/s | Event | 节点事件 |
|---|---|---|
T - 3s | Engine start sequence | 发动机按顺序启动 |
T + 0 | Lift off | 起飞 |
T + 67s | Maximum dynamic pressure / Max-Q | 最大动压 |
T + 145s | Main engine cutoff / MECO | 一级关机 |
T + 148s | Stage separation | 一二级分离 |
T + 156s | Second engine start-1 / SES-1 | 二级点火 |
T + 195s | Fairing deploy | 抛整流罩 |
Entry Burn | 再入点火 | |
Landing Burn | 着陆点火 | |
T + 514s | Second engine cutoff 1 / SECO-1 | 二级一次关机 |
T + 3086s | Second engine start-2 / SES-2 | 二级二次点火 |
T + 3090s | Second engine cutoff-2 / SECO-2 | 二级二次关机 |
T + 3390s | Spacecraft separation | 星箭分离 |
发射场
猎鹰9号目前可以在范登堡太空军基地和卡纳维拉尔角太空军基地执行发射任务。
目标轨道 | 初始轨道倾角 | 发射场 |
|---|---|---|
LEO | 28.5 – 55 | 卡纳维拉尔角太空军基地 |
LEO | 55 – 66 | 范登堡太空军基地 |
LEO极地轨道/SSO | 66 – 145 | 卡纳维拉尔角太空军基地，范登堡太空军基地 |
GTO | 大于28.5 | 卡纳维拉尔角太空军基地 |
地球逃逸轨道 | 无 | 卡纳维拉尔角太空军基地，范登堡太空军基地 |
常见载荷
猎鹰9号是一款用途广泛的火箭。现在不少的发射是星链（Starlink）的组网发射，将数量不等的星链卫星送入近地轨道。在俄罗斯与西方国家关系恶化之后，猎鹰9号也承担了一网卫星的组网发射任务。除此之外，猎鹰9号也用于发射载人龙和货运龙前往国际空间站，在俄乌冲突导致安塔瑞斯发动机断供后诺思罗普·格鲁曼也预定了三枚猎鹰9号用于发射天鹅座货运飞船。
猎鹰9号是一款商业火箭，每年会安排一定的拼车任务和小卫星专门发射任务。如果你需要拼车，可以前往Rideshare页申请。
回收
猎鹰9号的芯级是可以进行回收和重复使用的。发射星链等大质量载荷时，芯级将在海上由无人回收船进行回收。对于质量较小的载荷（比如Transporter和大部分CRS任务），可以进行一次额外的返场点火以返回发射场。
为了回收，猎鹰9号装有栅格舵和氮气RCS进行姿态调整，运载能力会稍有损失。
返场点火
对于需要进行陆地回收的任务，芯级会在分离后很短时间内使用RCS调转姿态进行返场点火，并在姿态调整到合适后点燃9台梅林发动机，使得水平速度方向反向以返回发射场。
再入点火
芯级会在再入大气层前进行一次再入点火，防止过大的再入热损坏发动机。海上回收点火时，先点燃中央发动机，0.5 s后点燃两台外围发动机。陆地回收时只点燃一台发动机。关机顺序等价于把点火的顺序反过来。再入点火会消除火箭约30%的速度。
着陆点火
芯级会在适当的时机开始着陆点火。在引擎正常工作的前提下，即使以能产生的最低推力运行，推力也大于箭体所受的重力（多亏了梅林引擎的超高推力）。所有着陆点火必须保证在火箭接触地面时速度在2.5 m/s以下，否则着陆腿无法消除全部的动能，将导致火箭坠毁。
优势与不足
猎鹰9号的箭体干质比很高，加上梅林发动机拥有全世界最高的推重比，使得它的低轨运载比非常高。
猎鹰9号能够通过大批量生产和回收使用大幅降低发射成本。据马斯克称，回收两次就能回本。
猎鹰9号全箭使用液氧煤油作为推进剂，比冲不高，在回收状态下，干质比稍有下降。这使得猎鹰9号的高轨运载能力较差，猎鹰9号也极少执行GEO直送任务、深空任务。