猎鹰上升 猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革

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经过十几年的发展，终于出现了泰空勘探技术公司(以下简称SpaceX)的猎鹰9号火箭最终版本。作为SpaceX最重要的运载火箭，猎鹰9号从第一次飞行开始就经历了很多设计上的变化，但从现在开始，为了满足NASA的载人需求，火箭需要经过固化设计后连续发射7次，所以SpaceX不可能像以前那样每次都对火箭做一点改进。是时候终结这个蓝图了，这个蓝图的标题是“猎鹰9 v1.2 Block 5”(简称F9B5)。本文原作者MaxHawkins是科普视频翻译组的唯一成员。

即将到来的Bangabandhu-1任务将是F9B5的首秀。一方面让无数SpaceX粉丝感到振奋，另一方面也让猎鹰9号火箭的进化史更加扑朔迷离。但你对“提高推力”“重新设计发动机”这种敷衍的话不满意，于是我整理了这篇文章，详细列举了从最初发到国际站空的“猎鹰9 1.0版”到现在可以多次重复使用的F9B5的整个进化史。

版本1.0配置1

猎鹰9的故事从“猎鹰9版本1.0配置1”开始。只发射过五次，三次是为了满足NASA要求的演示飞行，两次是为了龙号飞船的国际空空间站补给任务。甚至在这么早期的版本中，SpaceX就设计了“重用”的概念。“猎鹰9号1.0版配置1”对其回收系统进行了测试，目的是最终让一级箭通过降落伞慢慢落入水中。然后计划失败了，因为箭和降落伞在重新进入大气层时被摧毁了，最后等待的回收船回收了一级火箭的一些碎片。

猎鹰9版1.0配置1

马斯克背后的三个黑色物体是回收用的降落伞包。当然，结果很糟糕

版本1.0配置2(未生产)

在猎鹰9号1.1版设计之前，SpaceX就已经计划将猎鹰9号1.0版配置1扩展到180英尺/55米，并且仍然使用梅林1C发动机(即猎鹰9号1.0版配置2)。这个版本的猎鹰9死于猎鹰9 1.1版本的到来，比SpaceX更大更完善。

版本1.1

在使用猎鹰9号1.0版本配置1满足NASA合同要求后，SpaceX回归正轨，升级了猎鹰9号火箭，设计了猎鹰9号1.1版本。80%的容量得到了提高，这离完全重用的目标又进了一步。

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个硬件接口、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）

来自SpaceX的无涂层网格机翼图片

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. ）

科普视频-SpaceX的软硬件设计，由本文译者翻译，视频很好，推荐观看。有兴趣了解这位翻译其他视频的可以关注他的微博“Give Worm”或者bilibili账号(G4Y8u9)

为再入大气而加强底部隔热罩梅林发动机可靠性提升——高效生产流程、提升组装的自动化程度、减少零件数量梅林1D发动机从95,000磅力提升至140,000磅力（43吨提升至63.5吨）一级首次可节流至70%，取代分离前关闭部分发动机，火箭现在可以通过缓缓收油门来控制加速度移除梅林1D发动机上部分结构——每台发动机减重1000磅（0.45吨）（含矢量推力控制系统）升级梅林1D发动机的推进剂加注系统——使用一个单元替换原两个燃料、氧化剂阀门提升梅林发动机燃烧室、喷嘴的热极限增设发动机之间耐热隔间，防止发动机爆炸时波及其他发动机改进燃烧室制造工艺——马一龙对此津津乐道：“大量生产发动机最难的部分就是发动机燃烧室的镍钴合金镀层，我们制造了一个厚金属罩，用它来承受加压容器的绝大多数压力，之后它能一次镀上一层原子。镀层算是金属元件制造里最慢的工序了，而对于梅林1D发动机，我们那个金属罩是通过爆炸生产的，拿一个金属板，卷成圆筒，放水里，再在中间引发一次小爆炸，这样圆筒就轰的一下和外壁贴上了，变成我们想要的金属罩了，非常高效。接着把它放到燃烧室上，通过加热来镀层，一天能做好几个。”

梅林发动机在工作的画面来自SpaceX

版本1.2配置1-3

“猎鹰9号1.1版”让SpaceX在火箭回收上更进了一步，而下一版“猎鹰9号1.2版”让他们意识到了很多人认为不可能的事情——回收一级火箭——而它的升级包括提高发动机性能和为回收而进行的结构改变。虽然这些一级火箭理论上可以重复使用两三次，但是SpaceX从来没有用过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

“我当然还爱你”——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”

左边是旧的铝栅格翼，右边是新的钛栅格翼

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2.0版在错过回收船后漂浮在海上。图片来自SpaceX

版本1.2配置4

这一代公布的具体更新并不多，唯一能找到的真正锤子是发动机升级。据格温介绍，“猎鹰9号1.2版配置4”主要用于“猎鹰9号1.2版配置3”向F9B5的过渡。SpaceX“一次只改变一点点”的好策略进一步模糊了这三个版本的区别。在对制造影响不大的情况下，设计变更可以持续实现，而不需要突然的巨大更新。

这里值得注意的是猎鹰9 1.2版配置4的首秀。在整个猎鹰9号1.2版配置4上线之前，它的第二级是在之前猎鹰9号版本的第一级上安装的。这种“混合火箭”已经发射了NROL-76、Inmarsat 5和Intelsat 35e。这个消息让人普遍认为，猎鹰9号1.2版配置4的更新也包括了对军事负荷的适应和二次性能的提升。

CRS-14任务二手火箭和二手航天器图像来自SpaceX

版本1.2配置5

终于结束了——至少暂时，设计会被冻结。F9B5需要满足NASA的载人需求，演示火箭的快速可靠再利用。SpaceX的火箭现在需求量很大，但是格温说SpaceX现在希望“少造新火箭，多射二手火箭”。几年前，这只是一部遥不可及的科幻小说，但现在，它已成为触手可及的现实。SpaceX设计F9B5就是为了满足这种长远的空间愿景。同时，由于火箭必须在设计上被冻结，并且至少成功发射7次才能达到载人认证，F9B5在可预见的未来将服务于相当数量的SpaceX客户，其中包括总计120亿美元的发射订单，这使得F5B5不得不进行大量改动以达到上述目标，并降低前往太原的成本空。

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）

区块5火箭发射重心图

第二块5级I，编号1047，正在德州测试，清晰显示黑色级间和Octaweb 3.0结构

那我们来说说梅林引擎。

猎鹰9号的每一次升级都伴随着梅林引擎的性能提升，它的推力在每一个版本甚至每一个配置中都有所提升。最初的梅林发动机推力只有6万磅力(27.2吨)(所以一度被称为“60K”)，但据报道现在其推力可以达到24万磅力(109吨)。推力增加了四倍，发动机减重！这也是为什么发动机名字从“60K”改成“梅林”(准确翻译是“灰背隼”，是猎鹰“Falco”的一种)。

如果发动机重量粗略估计为1000磅(0.45吨)，梅林的推重比按照前述24万磅的最大推力将达到惊人的240！虽然作为发动机性能评价指标有些帝国主义，但我们还是不得不佩服SpaceX的发动机制造水平。

总结

猎鹰9号的进化史又臭又长又曲折。最初的猎鹰9号1.0版配置1经历了几次大的改动和无数次的内部小改进，最终成长为F9B5。这种中间火箭的名字也是五花八门:“猎鹰9 1.0版”、“猎鹰9配置2”、“猎鹰9 1.1版”、“猎鹰9升级版”、“猎鹰9 1.2版”、“猎鹰9配置3”、“猎鹰9 1.1全推力版”、“增强型猎鹰9”、“全性能猎鹰9”猎鹰9 1.2配置4、猎鹰9新设计、猎鹰9配置5、猎鹰9 1.2配置5、猎鹰9版本7。

不要搞混了，主要的几代都是按照功能(或者对外人来说的所谓“功能”)来记忆的，本文使用的版本号最广泛的有:“猎鹰9 1.0版”、“猎鹰9 1.1版”、“猎鹰9 1.2版配置1-4”和“猎鹰9 1.2版配置5”。

最初的“猎鹰9号1.0版”只是为了满足NASA的合同——给空站送快递；合同初期完成后，SpaceX要升级火箭，测试新设计，提高性能，考虑回收，再服务于商业载荷，于是出现了“猎鹰9号1.1版”；几次着陆尝试后，SpaceX更新了设计图纸，军事载荷和同步转移轨道载荷的需求给火箭带来了更多的设计修正。每次稍微改动一下，最后就来了猎鹰9版1.2配置1-4”；然后是NASA载人合同，要求SpaceX冻结设计，最终升级包括安全性、复用可靠性和性能的最终提升。猎鹰9号终于演变成了一个完整的机体——“猎鹰9号1.2版配置5”。