科技日报 2019-05-30 作者：胡定坤
近日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的新闻有点多。4月，“重型猎鹰”火箭首次商业发射成功；同月，成功拿下价值6900万美元的“双小行星变向试验”（DART）任务订单；5月，“星链”计划“一箭六十星”发射任务一经披露就成为全球舆论焦点，闪亮的卫星连成线成为夜空中的独特风景。
从“猎鹰1”“猎鹰9”到“重型猎鹰”再到携带着星际飞船的“大猎鹰”，SpaceX的火箭是怎样一步步升级的？
十年火箭路 从小型到重型
2002年，马斯克正式投身商业航天，SpaceX破壳而出。一阵招兵买马后，新生的它要解决的第一个问题就是搞出自己的火箭。直至2008年，低轨运载能力仅有420千克的“猎鹰1”在经历3次失败后终于试射成功。
“猎鹰1”是名副其实的小火箭，直径不到1.7米，高20米，一级火箭装备一台“灰背隼”（Merlin）发动机，二级也只有一台“红隼”发动机。SpaceX借助“猎鹰1”的项目经验掌握了火箭的研发、制造技术，特别是验证了“灰背隼”发动机的可靠性，在进行了几次发射后就将其“束之高阁”。
2010年6月，长70米、直径3.7米、低轨运力超过10吨的“猎鹰9”首飞成功。仅仅两年，SpaceX就实现了从小型火箭到中型火箭的跨越。这主要有两方面原因：从设计上看，“猎鹰9”一级火箭采用9台与“猎鹰1”相同的发动机并联，二级也使用一台“灰背隼”发动机。因此，在“猎鹰1”的研制中，已经嵌入了对“猎鹰9” 动力系统的研究。从试验流程上看，SpaceX堪称“快马加鞭”，极尽简化之能事。2009年10月，“猎鹰9”才进行一级火箭点火试验，但仅仅一个月后，二级火箭点火试验随即开展；七个月后，直接开始首飞。
美国国家航空航天局（NASA）曾称，如果按照传统的“开发流程”，“猎鹰9”的研制需要耗资40亿美元，而SpaceX开发“猎鹰1”和“猎鹰9”一共仅花费3.9亿美元。
2011年，SpaceX宣称将用2年时间完成“重型猎鹰”的开发。“重型猎鹰”看起来并不复杂，就是把两个“猎鹰9”的一级火箭捆绑在一枚完整的“猎鹰9”上做助推器。但SpaceX将其实现用了近7年。一方面因为期间“猎鹰9”两次发射失败，耽误了研制进程；另一方面“捆绑”火箭涉及的结构设计并没有那么简单；此外，SpaceX还腾出了大量精力提升“猎鹰9”的性能指标，并攻克了一级火箭回收技术。
2018年2月，低轨运力达63.8吨的“重型猎鹰”终于将马斯克的红色“特斯拉”送上太空。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”，10年时间，SpaceX的火箭运力提高15倍。
欲得一火箭 必先得其“心”
火箭作为一个系统工程，发动机是其最核心的技术。从“猎鹰1”到“重型猎鹰”，“心”却没有变，都是采用“灰背隼”系列火箭发动机作为主要的动力来源。不同的是，一级火箭的发动机数量由1个提高到了27个。
“如此多的发动机并联面临工作同步性、一致性等问题，火箭动力系统的复杂性也大幅上升。”著名航天专家蒋天（化名）表示，并联方式可以降低对单台发动机的推力需求，避免研制更大推力发动机面临的大流量涡轮泵、大流量推力室等技术难题，特别是流量增大导致的地面试验系统匹配困难等问题。
蒋天介绍，“灰背隼”火箭发动机将液氧和煤油作为推进剂，使用燃气发生器式泵压循环方式，结构简单、可靠性高。更特别的是，“灰背隼”采用了针栓式喷注器，以实现推力的连续可变，从而达到火箭垂直降落回收的目的。
“从火箭发动机原理上讲，实现连续推力调节的主要方式包括改变推进剂的供应量、改变发动机的喷管喉部面积、改变喷注面面积等。”蒋天进一步解释道，改变推进剂供应量和改变喷注器面积，是实现液体火箭发动机连续推力调节的主要方式，因为改变喷管喉部面积会带来热和烧蚀等问题。针栓式喷注器就是通过改变喷注面面积，控制燃料流量，实现发动机推力的大范围连续调节。
记者了解到，20世纪60年代，美国TRW公司最先将针栓式喷注器用于“阿波罗”计划着陆器的下降发动机上。SpaceX在成立之初挖走了TRW公司的火箭专家汤姆·穆勒，借此在火箭发动机技术上走了“捷径”。“灰背隼”包括多种型号，早期“灰背隼”-1A推力仅有340千牛，新型“灰背隼”-1D的推力则超过900千牛，且能从40%到100%连续变化。
“‘灰背隼’发动机主要在提升推力、提高推重比等方面加以改进。”蒋天称，其中由A型到B型改善了涡轮泵性能，提高了转速和扬程，由B型到C型则改变了推力室冷却方式，实现了再生冷却，D型则将推力进一步提高并实现了大幅度连续变推力工作。
未来“大猎鹰” 目标是火星
为了探测月球和火星，SpaceX正在建造“大猎鹰”超重型火箭，并计划2020年首飞，2023年绕月飞行，2024年带人踏足火星。“大猎鹰”高118米，直径9米，近地轨道运载能力高达150吨，超过了“阿波罗”计划中使用的“土星5号”和正在研制的“空间发射系统”（SLS），排名全球第一。此外，“大猎鹰”的两级火箭都可实现回收并重复使用，是名副其实的“完全可重复使用运载火箭”。
“大猎鹰”超大推力的实现方式与“重型猎鹰”类似，其一级火箭由31个新型“猛禽”（Raptor）发动机并联而成，总推力高达6180万牛。二级火箭名为“星际飞船”（Starship），由6个“猛禽”发动机提供动力，总推力达到1200万牛，它既能载人进行深空旅行，也能在太空中释放探测器、卫星等航天器。
既然说到“大猎鹰”，就不能不提“猛禽”火箭发动机。记者了解到，“猛禽”发动机以液氧甲烷为推进剂，单台最大推力接近2000千牛，能从20%到100%连续调节。相比其他现役火箭发动机，“猛禽”最大的不同是采用了“全流量分级燃烧”技术。
蒋天告诉科技日报记者，所谓“全流量分级燃烧”技术需要两个预燃室，一个将大部分燃料和小部分氧化剂进行燃烧，另一个将小部分燃料和大部分氧化剂进行燃烧，产生的燃气分别驱动燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵，再进入主燃烧室汇合燃烧。这种系统通过涡轮的燃气温度更低，涡轮的使用寿命更长，更有利于提高发动机的重复使用次数。
“此外，液氧甲烷推进剂因其低结焦性能和相对较低的成本，常被认为适合于可重复使用火箭发动机。”蒋天介绍，俄罗斯在上世纪90年代也曾开展过推力在100吨和200吨量级的大推力液氧甲烷发动机研制。
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