張亦馳

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月6日，美國SpaceX公司的“獵鷹重型”在肯尼迪航天中心的39A發(fā)射場成功發(fā)射。該發(fā)射場曾用于執(zhí)行“阿波羅”登月飛船和航天飛機(jī)發(fā)射任務(wù)，這兩種航天運(yùn)載器是當(dāng)時(shí)美國和世界上最大的航天運(yùn)載器，“獵鷹重型”重現(xiàn)了這一輝煌。

“獵鷹”火箭家族——“獵鷹重型”火箭作為現(xiàn)役最大的火箭，載重大本身是一個(gè)巨大的優(yōu)勢和亮點(diǎn)，這涉及復(fù)雜的工程問題，實(shí)現(xiàn)起來非常難。實(shí)際上，“獵鷹重型”不僅是目前運(yùn)載能力系數(shù)最大的火箭，其發(fā)動機(jī)的推重比最大，還采用了一系列提高可靠性的技術(shù)?？梢哉f，龐大的新技術(shù)、新理念讓它坐上了當(dāng)今最強(qiáng)火箭的寶座。

現(xiàn)役火箭運(yùn)載能力系數(shù)最高

“獵鷹重型”的一個(gè)先進(jìn)之處在于運(yùn)載能力系數(shù)非常大。運(yùn)載能力系數(shù)是指其最大有效載荷與起飛重量的比值。這個(gè)數(shù)值越大，意味著火箭能以更小的重量，扛起更大的載荷，說明火箭總體設(shè)計(jì)優(yōu)秀。對于大型、重型火箭而言，這一指標(biāo)可以大大瘦身，降低總體重量、減少燃料、降低總體成本。更難得的是，“獵鷹重型”的高運(yùn)載能力系數(shù)是以最簡單的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的液氧煤油發(fā)動機(jī)達(dá)到的。

如果以其近地軌道（LEO）有效載荷63.8噸、最大起飛重量1428噸算，“獵鷹重型”運(yùn)載系數(shù)高達(dá)0.0447。目前現(xiàn)役的重型“德爾塔IV”全部采用液氫液氧發(fā)動機(jī)，其近地軌道運(yùn)載能力系數(shù)為0.0387。長征七號的LEO運(yùn)載能力系數(shù)為0.0226。如果我們以中國長征五號運(yùn)載火箭GTO有效載荷14噸、起飛重量878噸算，其GTO運(yùn)載能力系數(shù)為0.0159。而“獵鷹重型”的GTO軌道運(yùn)載能力系數(shù)高達(dá)0.0187！

燃燒室噴管旁邊的“大煙囪”實(shí)際上是燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的富氧燃?xì)庵苯优欧诺酵獠苛?，所以叫開式循環(huán)，這些燃?xì)庵羞€含有不少能量。燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式不能充分利用燃料能量，比沖（比沖是指單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的沖量，代表著燃料的能量和燃燒效率）相對較低。要知道，“德爾塔IV”采用的是液氫液氧高能燃料，而長征五號芯級火箭使用的是液氫液氧燃料，助推器發(fā)動機(jī)雖然使用的是液氧煤油，但循環(huán)方式采用的是燃燒效率更高的分級燃燒循環(huán)。這兩種火箭的運(yùn)載能力系數(shù)之前在國際上可以說是數(shù)一數(shù)二，那些采用了固體助推器的火箭在“獵鷹重型”面前都遜色三分了。

發(fā)動機(jī)推重比最高

按理說，無論是長征五號使用的高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)還是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的液氫液氧發(fā)動機(jī)，其比沖都要高于“獵鷹重型”使用的“梅林-1D”發(fā)動機(jī)，為何最終的效率卻不如“獵鷹重型”呢？

“梅林-1D”發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)小巧，推重比高。這就涉及“梅林”發(fā)動機(jī)另一項(xiàng)“劍走偏鋒”的設(shè)計(jì)。它以簡單的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)設(shè)計(jì)達(dá)到了極高的推重比。燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，也就是利用燃料在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)燃燒產(chǎn)生燃?xì)?，?qū)動渦輪泵，通過渦輪泵向主燃燒室內(nèi)注入大量燃料燃燒，燃?xì)獍l(fā)生器燃燒后的廢氣直接排出發(fā)動機(jī)外（所以又被稱為開式循環(huán)），這被認(rèn)為是一種不夠先進(jìn)的循環(huán)方式。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的高壓補(bǔ)燃循環(huán)或者叫分級燃燒循環(huán)，則將燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的富氧或富燃?xì)怏w排入燃燒室（燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的燃料混合比不能達(dá)到最佳，否則溫度過高）“再燒一次”，這樣不僅利用了“廢氣”中的能量，而且燃燒室內(nèi)進(jìn)行更充分和可控的液-氣混合燃燒。所以，同樣的燃料，分級燃燒的火箭發(fā)動機(jī)比沖普遍燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)更高?！懊妨?1D”發(fā)動機(jī)既沒有使用能量更高的液氫液氧，也沒有使用分級燃燒技術(shù)，所以比沖相對較低。

“獵鷹重型”的兩個(gè)助推器同時(shí)回收，但正由于結(jié)構(gòu)簡單，加之設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料先進(jìn)，使其推重比達(dá)到了空前的水平。2014年第100臺“梅林-1D”發(fā)動機(jī)制造完畢時(shí)，其推重比為155。有些資料顯示，最新型“梅林-1D”發(fā)動機(jī)推重比高達(dá)180甚至更高，這一數(shù)值遠(yuǎn)超世界任何一款液氧煤油和液氫液氧發(fā)動機(jī)。之前最終比最高的發(fā)動機(jī)是蘇聯(lián)N-1火箭的NK-33，推重比也就120左右。

推重比高的優(yōu)勢就是在提供相同推力的時(shí)候，大大降低發(fā)動機(jī)自身重量，進(jìn)而提高火箭整體的干質(zhì)比（火箭除了燃料以外的各種系統(tǒng)的質(zhì)量和火箭總體質(zhì)量之比），這個(gè)數(shù)值是決定火箭的整體效率的另外一個(gè)重要因素。干質(zhì)比約大，越有利于火箭的加速。

獵鷹3米多的殼體內(nèi)可以塞入9臺“梅林-1D”發(fā)動機(jī)。而長征七號3.35米的芯級只裝入了兩臺發(fā)動機(jī)?！懊妨?1D”發(fā)動機(jī)簡單的結(jié)構(gòu)也簡化了生產(chǎn)，2014年的產(chǎn)量是每周4-5臺。

多冗余度技術(shù)保證高可靠性

一臺“梅林-1D”發(fā)動機(jī)可以舉起相當(dāng)于40臺轎車的重量，9臺發(fā)動機(jī)一秒鐘能夠燃燒540加侖燃料，相當(dāng)于在不到一分鐘的時(shí)間里抽干一個(gè)家庭游泳池的容積。不過，在火箭發(fā)動機(jī)中，其推力是非常小的，SpaceX公司不得不“推力不足數(shù)量補(bǔ)”。不過，“梅林-1D”發(fā)動機(jī)體積也非常小，所以可以在“獵鷹”火箭的3.66米的殼體中塞進(jìn)9臺發(fā)動機(jī)，長征-7號3.35米直徑也只并聯(lián)了2臺YF-100發(fā)動機(jī)。

獵鷹-9之前獲得了很高的成功率。對于傳統(tǒng)火箭來說，“推力不足數(shù)量補(bǔ)”是一個(gè)被迫采取的手段，因?yàn)檫@種方式被認(rèn)為會大大降低火箭的可靠性。任何一臺發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，都會對火箭的成功發(fā)射構(gòu)成致命威脅。而且并聯(lián)過多發(fā)動機(jī)，之間也會產(chǎn)生難以預(yù)料的耦合震動。因此，發(fā)動機(jī)并聯(lián)得越多，可靠性越差。一個(gè)典型的例子就是當(dāng)年蘇聯(lián)的登月火箭N-1，一級使用了30臺發(fā)動機(jī)，幾次發(fā)射均以失敗告終。這次“獵鷹重型”發(fā)射前，SpaceX公司總裁馬斯克承認(rèn) ：“‘獵鷹重型要求同時(shí)點(diǎn)火27個(gè)軌道級發(fā)動機(jī)，這時(shí)候可能會出現(xiàn)很多問題，這是地面測試很難預(yù)測的事之一?！?/p>

但最終“獵鷹重型”成功了。這仍然得益于“梅林-1D”發(fā)動機(jī)自身的設(shè)計(jì)。首先，由于其結(jié)果簡單，自身具有高度可靠性，大幅增加了總體可靠性。其次，“梅林-1D”發(fā)動機(jī)推力可以在大范圍內(nèi)調(diào)整。拼湊“獵鷹重型”的“獵鷹-9”火箭即便發(fā)射時(shí)一臺發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，其他發(fā)動機(jī)可以自動增加推力補(bǔ)償。甚至在度過了發(fā)射初期的最關(guān)鍵時(shí)刻，即便有兩臺發(fā)動機(jī)失效也無妨。所以，即便其一級安裝了多達(dá)9臺發(fā)動機(jī)，仍然保持了較高的可靠性。這又源于“梅林”發(fā)動機(jī)可在大范圍調(diào)整流量的渦輪泵，而其核心技術(shù)就是針?biāo)ㄊ絿娮⑵?，使得其在推力調(diào)節(jié)和燃燒穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異。在長征五號之前，中國火箭的渦輪泵基本不具備變流量能力，長征五號雖然具備一定的調(diào)整能力，但無法通過大幅度增加其他火箭發(fā)動機(jī)推力的形式彌補(bǔ)單臺發(fā)動機(jī)失效。

這個(gè)公式表明了比沖和干質(zhì)比對火箭的重要意義。其中C為比沖與重力之際。上述技術(shù)只是“獵鷹重型”一系列新技術(shù)陣列中的幾項(xiàng)。正是在美國的整體工業(yè)優(yōu)勢支撐下、大量的航天人才儲備下以及殘酷的市場競爭下，成就了“獵鷹-9”和“獵鷹重型”。

當(dāng)然，“獵鷹重型”由于發(fā)動機(jī)太多，可靠性還需要后續(xù)發(fā)射進(jìn)一步驗(yàn)證，特別是當(dāng)起飛時(shí)如果處于不同位置的多臺發(fā)動機(jī)發(fā)生故障，其面臨的推力構(gòu)型和耦合震動都很復(fù)雜。所以，“獵鷹重型”基本上是把“梅林-1D”的潛力挖掘殆盡了。無論是中國未來的長征九號運(yùn)載火箭，還是美國在研的巨型火箭，都是基于大型的發(fā)動機(jī)，而不是“獵鷹重型”這種捆綁小型發(fā)動機(jī)的形式。