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本文刊登于《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》雜志2017年5月刊

5月1日，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹九號(hào)火箭執(zhí)行國(guó)家偵察局的NROL-76任務(wù)，發(fā)射了一顆近地軌道軍用衛(wèi)星，火箭第一級(jí)回收成功，不過(guò)更引人注目的是火箭第二級(jí)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3.5小時(shí)的滑行后再次點(diǎn)火成功。獵鷹火箭第二級(jí)的滑行和點(diǎn)火試驗(yàn)，為上面級(jí)具備直送靜止軌道的能力鋪平了道路，假以時(shí)日聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的運(yùn)載火箭將面對(duì)更激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

NROL-76任務(wù)徽章。該次任務(wù)是太空探索技術(shù)公司首次進(jìn)軍軍用發(fā)射市場(chǎng)。

直送靜止軌道的關(guān)鍵

長(zhǎng)時(shí)間滑行和再次點(diǎn)火能力

獵鷹九號(hào)火箭進(jìn)行第二級(jí)滑行和再點(diǎn)火試驗(yàn)，目標(biāo)是突破和掌握長(zhǎng)時(shí)間滑行后點(diǎn)火的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將衛(wèi)星直接送入靜止軌道等高軌道的能力，成為直達(dá)靜止軌道的太空擺渡車(chē)。一般地說(shuō)，運(yùn)載火箭將衛(wèi)星送入近地軌道、極地軌道或是同步轉(zhuǎn)移軌道，而直接送入靜止軌道的發(fā)射很少，這主要是因?yàn)橹彼挽o止軌道的難度高，不僅需要火箭為衛(wèi)星提供更高的速度，還需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的滑行，等到火箭與衛(wèi)星的組合體飛到同步軌道高度的遠(yuǎn)地點(diǎn)后再點(diǎn)火提升近地點(diǎn)和削去軌道傾角，最后進(jìn)入赤道上空的靜止軌道。直送靜止軌道主要的難點(diǎn)，就在于長(zhǎng)時(shí)間滑行以及其后可靠的點(diǎn)火工作，為此需要研制先進(jìn)的上面級(jí)。

說(shuō)起上面級(jí)我們并不陌生，我國(guó)長(zhǎng)征七號(hào)和長(zhǎng)征五號(hào)火箭首次發(fā)射時(shí)分別使用了遠(yuǎn)征一號(hào)甲和遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)，它們都是專(zhuān)用的太空擺渡車(chē)，使用常規(guī)的常溫自燃推進(jìn)劑，具備多次點(diǎn)火啟動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間滑行飛行的能力，俄羅斯的弗雷蓋/Fregat和微風(fēng)/Breeze上面級(jí)同樣使用這樣的設(shè)計(jì)，和聯(lián)盟以及質(zhì)子火箭相結(jié)合，多次點(diǎn)火后具備將衛(wèi)星直接送入高軌道以及靜止軌道的能力。質(zhì)子火箭使用微風(fēng)M上面級(jí)可以將最大質(zhì)量3.7噸的衛(wèi)星直接送入靜止軌道，我國(guó)的長(zhǎng)征五號(hào)火箭結(jié)合遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)，直送靜止軌道的運(yùn)載能力為約5.1噸。

我國(guó)遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)可以進(jìn)行兩次點(diǎn)火，使用常規(guī)推進(jìn)劑

俄羅斯的微風(fēng)上面級(jí)可以進(jìn)行多次點(diǎn)火，將衛(wèi)星直接送入靜止軌道

常溫自燃推進(jìn)劑具有存儲(chǔ)方便和點(diǎn)火可靠的特點(diǎn)，但這種組合的比沖較低，尤其是遠(yuǎn)低于液氧液氫推進(jìn)劑組合。美國(guó)也有將衛(wèi)星直接送入高軌道和靜止軌道的需求，但美國(guó)航天界藝高人膽大，走的是另一條路線(xiàn)，也就是長(zhǎng)時(shí)間滑行加多次點(diǎn)火的低溫上面級(jí)。

美國(guó)最著名的低溫上面級(jí)當(dāng)屬半人馬座系列，它被形象的稱(chēng)為“太空千里馬”，這種20世紀(jì)60年代研制成功的先進(jìn)上面級(jí)使用不銹鋼殼體的共底儲(chǔ)箱減輕自身質(zhì)量，使用高比沖的RL-10系列氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。更有意思的是不銹鋼導(dǎo)熱率比傳統(tǒng)的鋁合金低得多，不論是儲(chǔ)箱共底部分還是外殼部分導(dǎo)熱都更慢，降低了溫度控制的難度。

美國(guó)研制了技術(shù)更先進(jìn)的半人馬座氫氧上面級(jí)，三次點(diǎn)火將衛(wèi)星送入靜止軌道

半人馬座上面級(jí)在電源、姿控和推進(jìn)劑管理等多方面精心設(shè)計(jì)，具備6.5小時(shí)左右的長(zhǎng)時(shí)間滑行能力，而膨脹循環(huán)的RL-10氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)又具備多次啟動(dòng)能力，它具有長(zhǎng)時(shí)間滑行后點(diǎn)火啟動(dòng)，將衛(wèi)星直接送入靜止軌道的能力。從理論上說(shuō)，半人馬座這樣的上面級(jí)三次點(diǎn)火即可將衛(wèi)星送入靜止軌道，目前Atlas V火箭的直送靜止軌道正是這樣實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)長(zhǎng)征五號(hào)火箭來(lái)說(shuō)，是由二級(jí)火箭將遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)和衛(wèi)星的組合體先送入同步轉(zhuǎn)移軌道，隨后遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)再在遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火變軌，實(shí)際上相當(dāng)于長(zhǎng)征五號(hào)火箭的第二級(jí)和遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)半人馬座三次點(diǎn)火的過(guò)程。

總而言之，對(duì)于一種運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)將衛(wèi)星直接送入靜止軌道的能力，長(zhǎng)時(shí)間滑行以及滑行之后的再次點(diǎn)火能力是必須的。太空探索技術(shù)公司是目前最成功的新型商業(yè)航天公司，它的獵鷹九號(hào)火箭頗具傳奇色彩，已經(jīng)挑戰(zhàn)了阿里安宇航公司和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟在商業(yè)和軍用發(fā)射市場(chǎng)的地位，但要和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟進(jìn)行全面競(jìng)爭(zhēng)，獵鷹火箭還需要具備直送靜止軌道的能力，以發(fā)射美國(guó)空軍和國(guó)家偵察局特殊需要的軍用衛(wèi)星。

在快速迭代中蛻變

獵鷹九號(hào)火箭掌握直送靜止軌道技術(shù)可期

獵鷹九號(hào)火箭其實(shí)先天不足，研制階段只能使用推力不大的梅林一號(hào)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，為此第一級(jí)不得不使用9發(fā)并聯(lián)的設(shè)計(jì)，為火箭提供足夠的推力。然而就是這種出身不佳的獵鷹九號(hào)火箭，經(jīng)過(guò)迭代式的不斷改進(jìn)后，早已有了脫胎換骨的提高。首先是梅林一號(hào)C發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和推力有了很大提高，到梅林一號(hào)D發(fā)動(dòng)機(jī)更是成為有史以來(lái)推重比最高的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力達(dá)到了845千牛（86.2噸），相比當(dāng)年梅林一號(hào)A不過(guò)340千牛（34.7噸）的地面推力，居然提高了兩倍半之多。獵鷹九號(hào)火箭使用比沖較低的梅林系列液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，但通過(guò)提高箭體干質(zhì)比達(dá)到了較高的性能，無(wú)論是早期獵鷹九號(hào)V1.0還是現(xiàn)在的獵鷹九號(hào)Block 4，第一級(jí)和第二級(jí)的箭體干質(zhì)比都相當(dāng)出色。

獵鷹九號(hào)火箭以二級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)就可以發(fā)射同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星，超高的干質(zhì)比是根本原因。對(duì)比之下其他國(guó)家結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量大，只能使用液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)或是三級(jí)火箭，印度更是作出了四級(jí)的PSLV火箭發(fā)射同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星。

太空探索技術(shù)公司還在繼續(xù)改進(jìn)獵鷹九號(hào)火箭，據(jù)稱(chēng)現(xiàn)在獵鷹九號(hào)火箭第二級(jí)干質(zhì)比超過(guò)20，而根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，干質(zhì)比提高對(duì)于性能提高同樣是立竿見(jiàn)影的。憑借第一級(jí)超過(guò)25、第二級(jí)超過(guò)20的干質(zhì)比，以及新的梅林1D+真空版發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)異性能，獵鷹九號(hào)火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力可達(dá)8.3噸，運(yùn)載效率直追使用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載火箭。

獵鷹九號(hào)火箭第二級(jí)超高的干質(zhì)比，意味著它使用比沖一般的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)也可以提供很高的速度增量，還為它具備直送靜止軌道能力奠定了基礎(chǔ)，接下來(lái)要做的，其實(shí)就是長(zhǎng)時(shí)間滑行和遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火了，而這正是獵鷹九號(hào)火箭不斷試驗(yàn)的內(nèi)容。通俗地說(shuō)，獵鷹九號(hào)火箭試圖“山寨”半人馬座上面級(jí)的成功，通過(guò)火箭第二級(jí)的三次點(diǎn)火和長(zhǎng)時(shí)間滑行，實(shí)現(xiàn)直接將載荷送入靜止軌道的能力。

獵鷹九號(hào)火箭，目前來(lái)說(shuō)，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)還是箭體都屬于一流水平

獵鷹九號(hào)火箭二級(jí)的干質(zhì)比不斷提高，可以提供將衛(wèi)星直送靜止軌道的速度

NROL-76任務(wù)中獵鷹火箭第二級(jí)實(shí)現(xiàn)了3.5小時(shí)滑行，距離實(shí)際需求的6個(gè)多小時(shí)已經(jīng)不遠(yuǎn)，隨著后續(xù)試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，我們將看到獵鷹九號(hào)火箭實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)移軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)的點(diǎn)火升軌。重型獵鷹即將首飛，今后重型獵鷹火箭的強(qiáng)大基本運(yùn)力結(jié)合直送靜止軌道能力的第二級(jí)，將具備和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的重型“德?tīng)査?”火箭競(jìng)爭(zhēng)的能力。

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