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技術派|將跑車送上太空的“重型獵鷹”火箭,軍事潛力更驚人

澎湃新聞特約撰稿 張雪松
2018-02-07 17:15
來源:澎湃新聞
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美國東部時間2月6日15時45分(北京時間2月7日凌晨4時45分),美國SpaceX公司的“重型獵鷹”火箭發射成功,將一輛“特斯拉”跑車送入太空。該火箭是美國“土星”-5火箭以來研制的最大運載火箭,加上火箭由私營航天企業SpaceX公司研制,首次發射備受矚目。

去年5月,SpaceX公司首次涉足發射美國軍方軍用載荷,為國家偵察局發射了一顆軍用衛星,同年9月又為美國空軍發射了X-37B軌道飛行器,今年1月又發射了一顆名為“祖瑪”的神秘軍事衛星。可以說,SpaceX公司近年來在軍用載荷發射市場取得了不小的成績。那么,運載能力更大的“重型獵鷹”火箭是否能讓SpaceX公司進一步提高在軍用載荷發射市場的占有率?對美國又有何軍事意義?

“重型獵鷹”火箭擁有非常可觀的低軌道運力,是現役世界上運力最大的火箭。

“重型獵鷹”性能幾何?

“重型獵鷹”火箭早在2011年就正式公開。原定2013年首次發射的火箭,因技術等方面的原因推遲到了2018年。隨著“獵鷹”9火箭技術的多次迭代式升級,“重型獵鷹”火箭的設計也發生了脫胎換骨的變化,其性能將沖擊現有的商業和政府航天發射市場。

“重型獵鷹”火箭是一種二級半運載火箭,使用比沖低的液氧煤油發動機,但總體性能仍然相當出色,尤其是運力非常亮眼。該火箭的地球低軌道運力63.8噸,同步轉移軌道26.7噸,大眾熟悉的波音737-300客機最大起飛重量約63噸,換句話說,“重型獵鷹”有能力把一架滿載的波音737-300送入地球軌道。現役“阿里安”-5、長征五號等主流大型運載火箭低軌道運力約25噸左右,因此,具有63.8噸運力的“重型獵鷹”火箭在當下可謂一騎絕塵。

傳統火箭為了獲得大運力和高運載系數(送入軌道的貨物占火箭起飛重量之比),越來越多的使用高比沖的發動機和推進劑組合,比如美國的重型“德爾塔”-4火箭完全使用液氧液氧,運載系數為3.93%,但與“重型獵鷹”火箭相比仍有很大的差距(運載系數高達4.49%)。毫不夸張地說,“重型獵鷹”火箭具有強大性能和技術水平,是當今最強大的運載火箭,這樣的龐然大物闖入航天發射市場,自然會帶來無與倫比的沖擊。

發射之前,SpaceX公司多次向外界表示:“重型獵鷹”火箭有可能發射失敗。

軍用發射市場的掠食者

“重型獵鷹”火箭具有性能強、價格低等優勢,它的出現將對國際軍用發射市場產生影響。SpaceX公司已經憑借高性價比的“獵鷹”9火箭獲得了美國空軍和美國國家偵察局的衛星發射合同,對原來壟斷市場的聯合發射聯盟(ULA)構成了不小的沖擊。“獵鷹”9火箭6200萬的基礎價格,即使增加了發射軍用載荷特殊要求帶來的附加成本,也比聯合發射聯盟(ULA)的“宇宙神”-5和“德爾塔”-4火箭便宜得多。

聯合發射聯盟(ULA)是波音和洛·馬兩家美國軍工巨頭發射部門組成的公司,雖然有軍工巨頭們背后從政治獻金到人際關系等各方面因素的加持,但近年來仍然在競爭中節節敗退。不過聯合發射聯盟(ULA)也有殺手锏——重型德爾塔-4火箭。該火箭均有很強的運載能力,同步轉移軌道運力可達14.22噸,是“重型獵鷹”出現之前現役最強的運載火箭。其靜止軌道直送運力也高達6.75噸,能夠將衛星直送靜止軌道,足以發射國家偵察局最重的情報搜集衛星。這樣的獨門功夫讓它獨占了美國大型軍用衛星的發射合同,即使“獵鷹”9火箭能搶到再多GPS-3衛星的發射合同,但在利潤最豐厚的大型軍用衛星發射領域仍然可望而不可及。不過“重型獵鷹”火箭發射成功后,局面就將發生變化。

27臺發動機并聯設計存在動力學耦合問題,這是業界擔心其首飛是否能成功的重要影響因素。

SpaceX公司一直在摸索嘗試直接將載荷送入靜止軌道的技術,已經利用“獵鷹”9火箭進行了多次點火和長距離滑行的試驗,但由于該火箭運力低,即使最終試驗了直送靜止軌道的能力,也沒有實用價值。“重型獵鷹”火箭作為一次性火箭發射時,其同步轉移軌道運力為26.7噸,即使第二級/上面級進行多次點火將衛星直送靜止軌道,最終運力仍然相當可觀,足以媲美現役的“德爾塔”-4火箭。這意味著“重型獵鷹”火箭發射成功后,可為SpaceX公司在軍用發射市場與聯合發射聯盟(ULA)全面展開競爭奠定基礎,以后“重型獵鷹”火箭為國家偵察局發射電子偵查衛星也不是不可能的事情。

當然,美軍要求軍品供應商必須有兩家,因此,即使SpaceX公司能靠性價比拿到一定數量的訂單,聯合發射聯盟(ULA)也不會被逐出市場,“重型獵鷹”火箭扮演的角色更像是掠食者而不是終結者。

此外,目前聯合發射聯盟(ULA)也感受到了來自私營航天企業的競爭壓力,未來將通過技術和組織優化等措施降低發射成本,SpaceX公司進入軍用發射市場帶來的“鯰魚效應”也將促進美國航天工業的整體進步,美國政府和軍方可以節約更多用于發射的經費,將這些節省下來的經費用于發展軍用航天技術,進而增強太空戰力,受益的是美國政府和軍方。

重型獵鷹”火箭未來可用于發射大型軍用衛星。

民用發射市場的攪局者

“重型獵鷹”火箭性能那么強,肯定會有很多人會有疑問:在民用載荷發射市場領域,這么大運力的火箭到底能發射什么?難道真準備把波音-737客機送上天?毋庸置疑,SpaceX公司作為一個以賺錢為主要目的私營航天企業,肯定對“重型獵鷹”火箭進行了市場調研。那么,“重型獵鷹”火箭在民用載荷發射市場有何優勢?

“獵鷹”9火箭雖然現在是全球發射市場上最具商業競爭力的運載火箭,但是俄羅斯“質子”火箭和歐洲“阿里安”-5火箭仍然有一定的競爭力,尤其是“阿里安”-5火箭運力大,能發射“獵鷹”9火箭不能發射的超大型衛星。“重型獵鷹”火箭出現后,將與阿里安”-5火箭正面PK,扼殺對手的市場空間。眾所周知,SpaceX公司目前還在積極進行可重復使用火箭的試驗,以降低發射成本。“獵鷹”9火箭早在2015年12月實現了第一級的首次回收,去年3月底又用回收的第一級發射了SES-10衛星,“獵鷹”9火箭重復使用已經成為現實。然而,“獵鷹”9火箭復用的經濟性卻不明顯,歐洲阿里安公司也還在觀望是否跟進研制這種技術。

為了進一步提高可重復使用火箭技術的經濟性,SpaceX公司開始雙管齊下:一方面是研制最新的“獵鷹”9 Block 5火箭,它的設計為重復使用進行了更多的考慮,至少可以可靠復用12次,而且箭體復用檢測周轉速度快,自然可以大大降低成本;另一方面,“獵鷹”9火箭第一級占了約70%的成本,但第二級和整流罩也很貴的,降低成本的空間就是進一步加大火箭回收比例。“重型獵鷹”火箭也是這種思路的產物,首次發射的“重型獵鷹”火箭的兩枚助推器都是可回收的,發射后將落回發射場再次復用,火箭的芯一級也將回收,不過它分離時速度太快,只能在海上的駁船上進行回收。綜合計算下來,“重型獵鷹”火箭只有第二級火箭不回收,發動機復用比例高達96.4%,可重復使用的“重型獵鷹”火箭自然可以大幅降低發射成本。

“重型獵鷹”火箭搭載了一輛“特斯拉”跑車,這是人類航天史上一個非常特殊的載荷。

SpaceX公司官方網站給出了“獵鷹”系列火箭的發射價格:已經投入市場的“獵鷹”9火箭6200萬美元一發,而“重型獵鷹”火箭9000萬美元,這比“阿里安”-5火箭和“質子”火箭都便宜。值得注意的是,“重型獵鷹”火箭9000萬美元的發射報價,對應的是最高8噸的同步轉移軌道運力,這和上文提到的26.7噸運力相差懸殊。一般認為這是“重型獵鷹”火箭第一級助推器和芯一級重復使用后的數據,火箭復用后運力覆蓋仍所有的大型通信衛星,但發射報價比“阿里安”-5火箭便宜得多。在與“獵鷹”9火箭競爭中,俄羅斯的“質子”火箭可以說是“茍延殘喘”,“重型獵鷹”火箭出現后對于“質子”火箭來說更是雪上加霜,“阿里安”-5火箭也將受到很大的沖擊。

“重型獵鷹”火箭對商業發射市場志在必得,對美國宇航局(NASA)的政府發射合同也是躍躍欲試。美國已經聯合歐日俄開展深空門戶站(DSG)的論證和建造,DSG預計使用美國宇航局的SLS重型火箭發射,“重型獵鷹”火箭雖然沒有SLS火箭105噸的運力,但在DSG的建造和維護中仍然大有可為。DSG需要人員和物資補給,目前物資補給很可能像國際空間站一樣外包給商業公司,“重型獵鷹”火箭加“龍”式貨運飛船(SpaceX公司研制)是最被看好的組合。

考慮到預算限制等因素,SLS火箭發射美國宇航局“獵戶座”載人飛船頻率很低,導致DSG只能進行短期駐留任務,如果美國航天局想在地月空間做更多任務,外包載人任務也是不可避免的。考慮到性價比,“重型獵鷹”火箭加“龍”式載人飛船(SpaceX公司研制)的組合也是當之無愧的首選。總而言之,“重型獵鷹”火箭將使SpaceX公司技術、性能和成本優勢又提高到一個新的臺階,讓其在國際民用發射市場占有更大的份額。

    責任編輯:謝瑞強
    校對:張艷
    澎湃新聞報料:021-962866
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