猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革

消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间：2024-05-09

报价宝综合消息猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革

引言

经历了十余年的发展，太空探索技术公司（以下简称SpaceX）的猎鹰9号火箭最终版终于初露端倪。作为SpaceX最主要的运载火箭，猎鹰9号从首飞到现在经历了大量设计上的变革，但从现在开始，为了满足NASA的载人需求，火箭需要在固化设计后连续完成七次发射，因此SpaceX不能像之前那样每次发射都对火箭改进一点点。是时候将这份蓝图画上句号了，而这份蓝图的标题叫“

猎鹰9号版本1.2 构型5

”（Falcon 9 V1.2 Block5，以下简称

F9B5

）。

本文原作者MaxHawkins，译者：给虫，科普视频翻译组唯一成员

即将到来的Bangabandhu-1任务将是F9B5的首秀，这一方面让无数SpaceX的粉丝感到一颗赛艇（exciting），另一方面也让猎鹰9号火箭的进化史更加扑朔迷离。而单纯的说“提高推力”、“重新设计引擎”这类敷衍的话你们又不高兴，所以我整理了这篇文章，详细列出了从最初送龙飞船到国际空间站的“

猎鹰9号版本1.0

”一直到如今可以多次复用的

F9B5

的整个进化史。

版本1.0 构型1

猎鹰9号的故事开始于“

猎鹰9号版本1.0 构型1

”，它只发射了五次，三次为满足NASA要求的演示飞行，两次为龙飞船的国际空间站补给任务。即使是如此早期的版本，SpaceX都从设计上考虑了“重复使用”这个概念。“

猎鹰9号版本1.0 构型1

”测试过它的回收系统，

目的是最后让一级箭体利用降落伞缓慢落入水中

。然后这个计划后来失败了，

因为箭体和降落伞在再入大气的时候被摧毁

，最后等待的回收船只回收到了一级火箭的部分碎片。

猎鹰9号版本1.0构型1

马斯克身后的三个黑色物体就是回收用的降落伞包，当然结果很惨烈

版本1.0 构型2（

未生产

）

在“

猎鹰9号版本1.1

”设计之前，SpaceX曾经打算延长“猎鹰9号版本1.0 构型1”到180英尺/55米，仍使用梅林1C发动机（即“

猎鹰9号版本1.0 构型2

”）。这个版本的猎鹰9号因SpaceX之后更大、改进更多的“

猎鹰9号版本1.1

”的到来而夭折。

版本1.1

在使用“

猎鹰9号版本1.0构型1

”满足了NASA的合同需求后，SpaceX回到正轨，升级了猎鹰9号火箭，设计了“

猎鹰9号版本1.1

”。提升了80%运力，离完全复用的目标更进一步。

升级内容：

发动机从梅林1C变为梅林1D

延长火箭一级、二级

一级底部发动机从3×3排列变为环形排列（Octaweb）

左侧为3×3排列右侧为环形排列

首次使用5.2米/17英尺直径整流罩

首次尝试反推着陆——三引擎再入点火与单引擎着陆点火

简化一二级连接——
从9个硬件界面、三个用于分离的推杆部件变为三个包含推杆的连接器
。马一龙：“我们把分离时12个会出错的部分减少到了3个。”

提升产量

加入栅格舵以控制一级再入大气和下降过程——首次同时使用开环、闭环液压系统（这个是按照应用闭环液压系统的时间来估计的）

未上涂层的栅格翼图片来自SpaceX

升级航电——引入三冗余飞控计算机，基于龙飞船已飞行验证（flight-proven）单元设计新软件。
马一龙：“你可以随便朝一个航电箱上开一枪，火箭该咋飞还咋飞。”
（“You could put a bullet hole in any one of the avionics boxes and it would just keep flying,” Musk said. ）

工作中的梅林发动机图片来自SpaceX

版本1.2 构型1-3

“

猎鹰9号版本1.1

”让SpaceX离火箭回收更进了一步，而下一个版本，即“

猎鹰9号版本1.2

”则让他们实现了这个很多人认为不可能的事情——回收一级火箭——其升级包括提升发动机性能与为回收而做出的结构改变。尽管这些一级火箭理论上可以复用2到3次，但SpaceX从未使用这个版本发射超过两次。

升级内容：

运力提升33%——允许完成同步转移轨道任务后使用无人拖船回收

“我当然依旧爱你”——SpaceX在东海岸的无人拖船

继续提升发动机推力——2017年6月，格温（SpaceX的首席运营官）表示他们在
测试中使梅林发动机的推力达到了240,000磅力（109吨）
——“为了让发动机适配‘猎鹰9号版本1.1’，我们不得不人为限制发动机的研发（原文：draw a line on engine development）。但随着梅林发动机的研发，我们注意到其还有很多上升空间，所以我们决定继续榨干发动机的性能。”

预冷推进剂——通过从液氧的-297℉（-182.8℃）开始继续降温至66K（
原文未提，译者补充
），液氧密度从70磅/立方英尺提升至75磅/立方英尺（1121.3千克/立方米提升至1201.4千克/立方米），密度提升了7%

梅林发动机可深度节流至40%

升级栅格舵——涂层的铝合金格栅舵改为无涂层、整块切割的钛合金格栅舵。虽然更重，但“应该可以无限次飞行而无需修复”

左为旧款铝制栅格翼右为新款钛制栅格翼

加长级间段（interstage）

修正结构以适应流水生产——格温引用说打算只保留两条生产线——一条生产重型猎鹰芯级，一条生产重型猎鹰两侧助推器或猎鹰9号一级

修正环形排列网配置（Octaweb）

升级一级着陆架

提升二级梅林发动机推力

延长二级发动机喷嘴（Nozzle）

提升二级推进剂加注量

电子设备微小改进

首次使用整流罩版本2.0——略微加大，并增加硬件设备使整流罩可回收。在Paz卫星任务分离后，其中一片升级后的整流罩使用自带推进器与翼伞导航回收，最后虽然错过了回收船几百米，但还是完好无损地落入水中

整流罩版本2.0在错过回收船后浮在海面图片来自SpaceX

版本1.2 构型4

这一代公布的具体更新并不多，能找到的唯一的实锤是发动机的升级。据格温说，“

猎鹰9号版本1.2 构型4

”主要用于“

猎鹰9号版本1.2 构型3

”至

F9B5

的

过渡

。而这三个版本之间的区别也被SpaceX所擅长的“每次只改一点点”策略弄得更加迷离。在制造方面影响很小的情况下，设计上的变动可以连续地实现，而不用突然间来一个超大的更新。

这里值得注意的是“

猎鹰9号版本1.2 构型4

”的首秀，在整枚“

猎鹰9号版本1.2 构型4

”发射之前，它的二级曾被安装在猎鹰9号之前版本的一级上面，这个

“杂交火箭”

发射过NROL-76、Inmarsat 5和Intelsat 35e。这一消息让大众普遍认为，“

猎鹰9号版本1.2 构型4

”的更新还包括了适配军方载荷与二级性能的提升。

CRS-14任务二手火箭配二手飞船图片来自SpaceX

版本1.2 构型5

终于到头了

——至少暂时要冻结设计了。F9B5一方面要满足NASA的载人需求，还要演示火箭的快速可靠复用。SpaceX的火箭现在需求量很高，但格温表示SpaceX现在希望“少造新火箭，多射二手火箭”。这话在几年前简直是遥不可及的科幻，但现在是触手可及的现实。SpaceX设计F9B5就是为了满足这一长远的航天愿景。同时因为火箭必须冻结设计并成功发射至少七次来满足载人认证，在可预见的未来内F9B5还要服务相当多的SpaceX的客户，这当中总共包含120亿美元的发射订单，使得F5B5必须有大量改动，来满足上述目标、降低前往太空的成本。

升级内容：

黑色的级间段、着陆架、燃料管线

可收回的着陆架（之前伸出来后只能拆掉）

重新设计COPVs（碳纤维缠绕压力容器）——避免Amos-6爆炸事故的重演，同时应对多次复用

重新设计涡轮泵——NASA发现回收后的火箭在涡轮泵叶片上发现裂纹，因此要求SpaceX重新设计其梅林发动机的涡轮泵

其他梅林发动机的总体改进——提升工作推力至190,000磅力（86.2吨）

重新设计、认证活动组件——阀门以满足多次复用

重新设计发动机环形排列网——螺栓连接取代焊接

为复用优化——小修飞十次、大修飞一百次

终极目标——
“24小时内飞两次”
（鬼才信呢，主页君注）

Block5构型火箭发射的CG图

正在德州试车的第二枚Block5一级，编号1047，清晰可见黑色的级间段和Octaweb 3.0结构

然后聊聊梅林发动机吧！

猎鹰9号的每次一升级都伴随着梅林发动机的性能提升，每一版本，甚至每一个构型，其推力都有所提高。最初的梅林发动机推力只有60,000磅力（27.2吨）（所以曾经叫“60K”），但有消息指出现在其推力可达到240,000磅力（109吨）。推力提升四倍，而发动机还减重了！这也是为什么发动机名字从“60K”改叫“Merlin”（准确翻译是“灰背隼”，是隼属“Falco”的一个种）。

粗略估计发动机重量为1000磅（0.45吨）的话，按照之前提到的最大推力——240,000磅力——

梅林的推重比将达到惊人的240

！虽然以此作为发动机性能评判指标有些钦定的感觉，但这逆天的推重比依然让我们不得不佩服SpaceX的发动机制造水平。

总结

猎鹰9号的进化史可以说是

又臭又长

蜿蜒曲折，最初的“

猎鹰9号版本1.0 构型1

”经历几次大改与无数次的内部小改进，终于成长为

F9B5

。这中间火箭的名字也多种多样：“猎鹰9号版本1.0”、“猎鹰9号构型2”、“猎鹰9号版本1.1”、“猎鹰9号升级版”、“猎鹰9号版本1.2”、“猎鹰9号构型3”、“猎鹰9号版本1.1 全推力版”、“增强版猎鹰9号”、“全性能版猎鹰9号”、“猎鹰9号构型4”、“猎鹰9号版本1.2 构型4”、“猎鹰9号新设计”、“猎鹰9号构型5”、“猎鹰9号版本1.2 构型5”和“猎鹰9号版本7”。

别搞混了，主要的几代按照功能很好记（或者对于局外人来看的所谓的“功能”），本文使用的是最广泛的版本号：“

猎鹰9号版本1.0

”、“

猎鹰9号版本1.1

”、“

猎鹰9号版本1.2 构型1-4

”、“

猎鹰9号版本1.2 构型5

”。

最初的“

猎鹰9号版本1.0

”单纯的为了满足NASA的合同——给空间站送快递；合同初期阶段完成后，SpaceX就该升级自己的火箭、测试新设计、提升性能、考虑回收，进而为商业载荷服务了，于是出现了“