獵鷹重型火箭首飛，人類航天新時代即將到來
作者： 太空精釀（代爾夫特理工大學在讀博士）
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美國東部時間2018年2月6日下午15:45分，美國Space-X（太空探索科技公司）的獵鷹重型（Falcon heavy）火箭從具有傳奇色彩的肯尼迪空間中心LC-39A發射平台成功起飛。
火箭發射現場照片 Space-X
這一見證了阿波羅登月、天空實驗室、太空梭計劃的傳奇平台，又將見證人類航天的新高度---商業航天的又一個輝煌。
獵鷹重型火箭六大特點
1
人類30年來最強火箭
1967-1973年服役的美國土星五號（Saturn 5）是人類歷史上最強大的火箭，它的近地軌道運力高達140噸，見證了人類歷史上輝煌的載人登月。美國歷史上唯一獨立發展的空間站天空實驗室（Skylab），也是由它一次性送入太空。
1987-1988年服役的蘇聯能源號（Energia）是蘇聯火箭的巔峰，它服務於暴風雪號太空梭計劃，近地軌道運力高達100噸，但僅使用了兩次之後便宣布退役。
1981-2011年服役的美國太空梭（Space Shuttle）共計執行了135次任務，它並不是一個真正的「火箭」。由於它包括主發動機在內的有效載荷（68.5噸）集中在飛機/軌道器上，實際近地軌道運力僅有27.5噸。
在1988年能源火箭退役後，人類航天發射運送能力巔峰是德爾塔4重型（Delta-4 Heavy）火箭保持的28.8噸世界紀錄。
獵鷹重型火箭的數據是63.8噸。
2
火箭一級全部可重複使用
Space-x 的兩個助推器幾乎同時成功落地 Space-X
Space-X火箭一級回收技術是它的獨門絕技，自從2015年實現首次成功以來，媒體和大眾早就習以為常。2017年更是實現了14次嘗試（另外4次由於載荷過重主動放棄）全部成功，其中實現了4次「二手火箭」的再次發射。
本次試射成功的獵鷹重型火箭中，左右兩個「捆綁」的助推器其實就是之前成功回收過的火箭一級，中間的為嶄新第一級。
而在這次發射中，兩個助推器成功實現第二次回收。芯級由於直播信號丟失待確認，但不管怎樣這個成就已經讓人著實震撼。
3
整流罩回收「黑科技」
此次Space-X預計又進行了一次大膽的嘗試：火箭整流罩的完整回收，它曾經神秘測試過一次但並未公開最終結果。而此次將繼續進行測試，專用的Mr.Steven回收船已經改裝並攜帶了巨大的鉤爪，專門用來回收整流罩。
整流罩回收船和巨大昂貴的整流罩 @Space-X
不要低估火箭整流罩的價格，雖然看起來只是薄薄的一片，但要求質量輕、強度高、電磁波通透性強，價格因此很高。兩片整流罩價格大約是500萬美元，佔到了獵鷹9號火箭價格的10%左右。而回收它的難度極高，因為它們大概是在地球馮卡門線以外的110千米高度被拋下。由於沒有任何動力，只能依靠自身形狀滑行和最終降落傘減速，回收難度不亞於火箭一級。但具體回收結果預計將會繼續保持神秘，截至目前Space-X並未公布相關信息。
4
價格低
一枚嶄新的獵鷹9號（Falcon 9）火箭報價在5500-6200萬美元之間，遠低於同類的宇宙神5（Atlas）和德爾塔4（Delta-4）1-4億美元不等的報價。經過維修後的「二手火箭」再次登場時，相比新火箭，報價將打七折左右，但運力沒有區別。這使得它的競爭力進一步上升。
而獵鷹重型火箭價格也很感人，預計報價僅為1億美元左右，甚至大大低於德爾塔4重型火箭的4.35億美元的發射均價。要知道，獵鷹重型火箭的運力比它足足多出了128%，價格卻僅僅是它的23%，如果是「二手」獵鷹重型火箭的話，這個對比將更加懸殊！
5
模塊化組裝
簡單來說：造火箭猶如搭積木。
這是目前世界範圍內主流火箭的必選之路，通過模塊化組裝的方式可以極大增強同一系列火箭的擴展空間和靈活性。中國的新型長征火箭、美國聯合發射同盟的主力宇宙神和德爾塔火箭、俄羅斯新一代的安加拉火箭也是採取這種方式。
獵鷹火箭的發展之路 Space-X
獵鷹重型顯然也深諳此道，它相當於由一枚嶄新的獵鷹9號火箭和兩枚回收的火箭一級組合而來，所以需要對居於中間的火箭一級進行結構強化，對兩側助推器加裝小型整流罩、整體電子和控制系統等進行優化，但不需要徹底的大改。
2016年，Space-X的新型猛禽發動機（Raptor）已經測試成功，這意味著獵鷹重型的未來擴展空間極大。
6
可靠性
顧名思義，獵鷹9號是使用了9個墨林發動機（Merlin）的獵鷹火箭，而獵鷹重型更是使用了誇張的27個發動機。
發動機數量大PK：N1火箭（上）的30對獵鷹重型火箭（下）的27
這幾乎讓人不得不聯想到人類歷史上最奇葩的蘇聯登月火箭N1，它的第一級火箭竟然使用了30個發動機。事實上，這枚本來可以挑戰土星五號登月火箭的怪物，四次試射四次失敗，可以說讓蘇聯人徹底失去了在太空競賽中擊敗美國的信心。
而獵鷹9號火箭已經完成了48射46成功，成功率高達95.8%，且多次實現二手發動機重複使用。兩次失敗中，其中一次是在發射之前加註燃料時在地面爆炸、另一次是由於火箭一二級之間結構問題。考慮到這些因素，獵鷹9號的多發動機同時工作方式可靠性實際上幾乎是100%。
事實上，當年N1火箭的連續失敗，既有設計上的多發動機控制、燃料燃燒循環系統、結構過於複雜等問題，也有它的發動機必須在火箭發射場組裝（無法直接運輸）問題。這些問題都是獵鷹所沒有的，因此獵鷹重型火箭的可靠性是要遠高於N1的。
電動車是唯一載荷？
不管你服不服，Space-X就是任性了一把，偌大的火箭運力，只攜帶了一輛車……
如此任性的一輛車坐在巨大的火箭里，還有一位小小的「宇航員」測試Space-X未來的宇航服 Space-X
但其實也有一定的原因：
1.甲方為王
不同於獵鷹火箭、龍飛船、龍2飛船、猛禽發動機等都有NASA和美國空軍資助的身影，獵鷹重型火箭是由Space-X完全獨立資助研發的項目。因此在選擇載荷方面完全可以做到「隨心所欲」 ，不存在拿人手短吃人嘴軟的問題。
2. 沒有合適的載荷
一方面是整個世界航天目前尚無這個量級的載荷，另一方面任何極其昂貴的重型載荷也自然無法面對試射萬一失敗的風險。
3.沒有合適的火箭配套
作為火箭整體試射，Space-X沒有必要為更大更重的載荷配套新的整流罩、火箭上面級、衛星分離釋放裝置等，這些配件的研發成本不菲，甚至超過它採用這種獵鷹九號「搭積木」的方式做出獵鷹重型火箭。
4. 方便測試
為了回收技術，獵鷹火箭一級必須留有30%左右的燃料用來減速，僅有在執行重型任務時才會用盡燃料放棄回收。而此次任務是挑戰更複雜的三個火箭一級回收，更大高度、更多數量意味著更大難度。因此載荷盡量小以測試整個系統的完整就不足為奇。
進入太空後，這輛車已經嚴重超速：超過了10000千米/小時，是它在地面上速度的100倍！Space-X
5. 商業廣告
花費不到一億美元，可以做一個可以載入史冊的廣告，這個商業想法的高度不亞於這個火箭創造的高度。
其實，獵鷹重型火箭之前已經有了下一步的訂單，Space-X也有包括月球旅遊在內的計劃，這個成功的廣告將會是個更大的宣傳。
電動車能抵達火星么？
人類航天目前幾乎都通過一個叫做「霍曼轉移軌道」的方式抵達火星：在離開地球時經過加速進入這個軌道，在抵達火星附近時經過二次加速趕上火星，與火星軌道交叉後再改變速度實現環繞火星，甚至不惜採用火星稀薄大氣「空氣剎車」的方式。
霍曼轉移軌道與地球軌道和火星軌道相切，實際上是個橢圓軌跡的一半（動圖中虛線的一半） brilliant.org
以上三步，強大的獵鷹重型火箭把它送出地球當然是妥妥的（第一步）。實際上獵鷹重型火箭的特徵能量能讓它運送重達3.5噸載荷抵達冥王星，遠遠超過新視野號的0.5噸級別。
但是對於一輛沒有任何變軌、調姿能力的電動車而言，後面兩步就是開玩笑了。
更何況人類探測火星的26個月時間窗口到今年5月才來，基本意味著這一輛電動車最多在深空中跟火星打一個遙遠的「招呼」就會消失了。
獵鷹重型火箭足夠將它像先鋒10/11號、旅行者1/2號、新視野號送出太陽系，但由於它並未攜帶大型通訊天線和長期供能的放射性同位素電機等，這意味著發射後人類將很快跟它失聯，消失在太陽系中。
據伊隆·馬斯克的說法，它將進入漫長的環繞太陽軌道，輕易在太陽系中存在10億年以上。也許它最終將會成為宇宙深空中人類存在過的一個痕迹吧。
其它火箭廠商怎麼看？
Space-X掀起了人類航天的新一個高潮，重型火箭和重型任務再次歸來。
迎著這波浪潮的，是一大批弄潮兒。Space-X只不過恰好站到了潮頭，可它並不孤獨。
1
商業航天對手狙擊
比Space-X創始人伊隆·馬斯克還要財大氣粗的傑夫·貝佐斯（亞馬遜創始人）自然不甘落寞。他開創的藍色起源（Blue Origin）以及新謝帕德（New Shepard）火箭甚至早在獵鷹之前就實現了一級回收。
研發中的新格倫已經有了兩款版本 Blue Origin
而他也打算在下一步超越Space-X，他狂投25億美元研發的新格倫（New Glenn）火箭將在2020年首飛，起步運力也達到了驚人的45噸。二者同是商業航天，由於設計理念、回收方式等的不同，新格倫將會在很多方面超越獵鷹重型火箭，成為它最大的競爭對手。
2
聯合發射同盟反擊
由世界第一軍工企業洛克希德馬丁和世界第二軍工企業波音組建的聯合發射同盟，成立後便壟斷了美國航天發射市場，但這些年卻被Space-X狙擊。而在重型航天發射領域，這兩個公司自然不會主動放棄。
2019年，二者聯合研發的火神（Vulcan）火箭將會起飛，聯合發射同盟這個巨無霸將會實力出擊。
3
NASA的壓軸重器
NASA已經連續研發10餘年、海量投資超過200億美元、最終目標是登陸火星的太空發射系統（Space Launch System）也將在2019年首飛，它的第一個小目標就是成為現役世界第一。
太空發射系統有三個主要型號研發中 NASA
它將是未來美國航天重型發射的絕對主力，NASA的當家重器 。Space-X極難從它手中搶到利潤最高的NASA大型近地軌道航天器、登月飛船、登火星飛船項目。
4
其它國家狙擊
不得不說，目前這個其它國家只有一個，就是中國。
歐洲的研發方向轉向了中量級（20噸）的阿麗亞娜6火箭，但估計面對獵鷹9號都沒有競爭優勢。俄羅斯下一代的安加拉火箭，長遠目標是實現35噸（A5V）、50噸（A7）和100噸（A100）的突破，但目前連A5的研發都受挫，首次試射排期到了2025-2030年。
中國在重型火箭研發方面出師不利，運力目前排名世界第二的長征五號（25噸+）1成功1失敗。但2018年，長征五號火箭將會再次挑戰，它是中國重型火箭按照模塊化思路研發的最好樣板。
這張長征五號/九號和美國太空發射系統的對比已經出現在各種外媒報道中
而隨著中國超強火箭發動機試車和大直徑殼體的研製不斷實現突破，中國的大國重器長征九號預計將在2030年前後登場。
它的最終目標很簡單，與NASA的太空發射系統正面競爭，支撐中國大型空間站建設、重型深空探測任務、載人登月、載人登陸火星的順利進行。
想要走入深空，就必須依賴大運力火箭。獵鷹重型的首飛成功，其它重型火箭的相繼研發，都預示著，人類航天的新時代，正在到來。
本文由科普中國融合創作出品，代爾夫特理工大學在讀博士太空精釀製作，中國科學院計算機網路信息中心監製，「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌
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