獵鷹9號最終版靜待點火，鋪平火箭快速復用之路

一枚全新的獵鷹9號火箭，箭芯編號1046，豎立在了SpaceX設在美國得克薩斯州麥格雷戈的試驗場，準備在本周進行靜態點火試驗。雖然看起來遠沒有上個月首飛的重型獵鷹火箭那麼酷炫，但這枚火箭的現身對於SpaceX來說，可謂意義重大，將是該公司在快速廉價火箭復用這條道路上即將邁過的又一塊重要的里程碑。

豎立在麥克雷戈測試場上等待靜態點火試驗的這枚火箭，是SpaceX的第一枚最終版本獵鷹9號。圖片來源：SpaceX

為什麼這枚火箭意義重大呢？因為這是第一枚所謂的「第5批次」獵鷹9號火箭，也是獵鷹9號火箭的最終版本。想弄清楚「第5批次」是什麼意思，還得從獵鷹9號火箭的演進歷史說起。

自2010年首次亮相以來，作為SpaceX的旗艦級火箭，獵鷹9號經歷過多次重大升級，特別是在燃料罐和發動機方面。

首次亮相時，獵鷹9號看起來跟今天有很大的不同。最明顯的區別是，它的9台發動機當時還排列成3×3方陣，燃料罐也比今天的獵鷹9號短了許多。當時它的一級火箭使用了9台默林1C發動機，二級火箭則使用了一台對真空環境優化過的默林1C發動機。這些發動機的設計都借鑒自SpaceX早期的獵鷹1號，只是稍稍作了一些改進。

被稱為「1.0版」的獵鷹9號火箭只發射過5枚，全部用來發射龍式飛船或者龍式飛船的模擬艙進入低地球軌道。

這是一枚「1.0版」的獵鷹9號火箭，可以看到尾部的9台發動機排列成3×3的方陣，跟現在的獵鷹9號完全不同。圖片來源：SpaceX

為了能夠運送更多載荷進入軌道，讓獵鷹9號在潛在客戶眼中變得更具吸引力，SpaceX研製了新的「1.1版」獵鷹9號，並於2013年開始發射。與1.0版相比，1.1版火箭經過了多項改進，最主要的變化是升級了一二級火箭的發動機，從之前的默林1C換到了更新、威力也更大的默林1D，還拉長了一二級火箭的燃料罐。一級火箭上9台發動機的排列方式，也改成了現在這個樣子——1台發動在中心，其餘8台圍成一圈。

1.1版獵鷹9號還給SpaceX帶來了一種新的可能性，那就是火箭的回收和重複使用。得益於燃料罐的拉長和發動機的升級，在一些要求不高的發射任務上，獵鷹9號有足夠多的剩餘燃料可以來嘗試一級火箭的反推著陸——先是在開放海域，後來則是在經過加固的無人駁船上嘗試。

供一級火箭在海上著陸的無人駁船「看看說明書」號。圖片來源：SpaceX

SpaceX曾希望，用類似一級火箭回收的方式來回收二級火箭，但這個目標後來一直被擱置。SpaceX的總裁格溫·肖特韋爾（Gwynne Shotwell）在2017年底說，SpaceX將在2018年嘗試「把二級火箭緩緩降落到海上」。肖特韋爾後來表示，「我們不會重複使用二級火箭，但我們會嘗試把它們帶回家。」

獵鷹9號的1.0版在頭兩次發射中也嘗試過一級火箭的回收，但使用的方式完全不同。當時的一級火箭配備了降落傘，嘗試在大西洋上降落。然而，這些嘗試最終沒能成功，由於一級火箭太重太快，降落傘都被扯破了。

1.0版火箭回收失敗後，SpaceX決定換用反推著陸的方式。為了避免早期嘗試失敗可能會損壞駁船，最初的幾次反推著陸在開放海域進行，來模擬在駁船上著陸。

獵鷹9號一級火箭在海上嘗試軟著陸的模擬圖。圖片來源：Nathan Koga

不出所料，第一次開放海域的著陸嘗試沒能成功。不過，在第二次嘗試中，SpaceX設法讓一級火箭實現了定點軟著陸。

在進行了更多次的海上著陸嘗試後，SpaceX開始在真正的駁船上嘗試一級火箭著陸。第一條駁船被命名為——「看看說明書」號。

第一次嘗試在船上著陸，是在CRS-5任務（即給國際空間站的第5次商業貨運任務）當中，不過那次著陸沒有成功。一級火箭上部可以展開來控制下落方向的柵格翼，由於傳動裝置里提供液壓的液體提前耗盡，導致一級火箭失去控制，最終墜毀在了駁船上。

第二次嘗試著陸則是在CRS-6任務期間，結果一級火箭的9台發動機里，中間那台的節流閥被卡住了。這意味著，這台發動機無法進行快速機動，導致火箭在落向駁船的過程中出現搖晃。這枚火箭倒是著陸在了船上，但水平方向速度太大，導致它側翻傾倒，隨即爆炸。

在CRS-7任務之前，SpaceX派出了全新的另一條駁船，命名為Of Course I Still Love You——「當然我還愛你」號，嘗試進行船上著陸。不過，由於這枚獵鷹9號火箭在發射時發生故障導致解體，這次著陸沒有能夠進行。

直到2015年12月21日，SpaceX才終於首次成功著陸了一枚一級火箭，把它落在了卡納維拉爾角的1號著陸區。2016年4月8日，他們在「當然我還愛你」號駁船上成功實現了第一次海上著陸回收。

第一枚成功回收的獵鷹9號一級火箭，著陸在卡納維拉爾角的1號著陸區。圖片來源：SpaceX

到目前為止，SpaceX已經嘗試了28次回收，成功著陸了23枚一級火箭。

為了能夠在要求更高的發射任務中也回收一級火箭，同時為了能夠發射更重的載荷，SpaceX開發了獵鷹9號的全推力版，有時也被錯誤地稱為「1.2版」。與1.1版相比，全推力版最顯著的區別在於二級火箭變長了，推進劑變稠了，發動機也進行了進一步的升級。這些升級結合在一起，使得獵鷹9號的低地球軌道運載能力幾乎翻番，而且能夠在地球同步轉移軌道的發射任務中回收一級火箭。

全推力版還改進了著陸腿和柵格翼的設計，進行許多結構改善，整體重量也減輕了。

自2015年年底首次亮相以來，獵鷹9號全推力版經歷過幾個「批次」的改進。已知的5個批次當中，到目前為止，前4個批次的火箭都發射過了。從2016年到2017年，全推力版從第1批次慢慢改進到第4批次。第一枚重複使用的火箭是第2批次的，箭芯編號B1021。

2016年底到2017年初，伊隆?馬斯克（Elon Musk）批露了獵鷹9號新的最終版本，稱為「第5批次」。

不同版本的獵鷹9號火箭，和重型獵鷹火箭的對比。圖片來源：維基百科

SpaceX對第5批次的獵鷹9號進行了多項改進，包括重新設計了複合材料纏繞壓力容器（COPV）和默林1D發動機上的渦輪泵——前者存在隱患，曾導致一枚獵鷹9號火箭在發射塔架上爆炸；後者則在發射和高強度地面測試後出現過裂縫。

之所以要重新設計修正這些隱患，是因為第5批次的獵鷹9號將承擔起載人龍式飛船的發射任務，這就要求火箭的設計必須達到和超過最嚴格的NASA載人發射要求。按照NASA的要求，在第5批次的獵鷹9號火箭定型之後，SpaceX必須「凍結」配置不得再作更改，並且進行至少7次發射成功，然後才會被允許用來進行載人航天發射。

不僅如此，第5批次的獵鷹9號還將肩負起SpaceX快速廉價復用火箭的夢想。此前的獵鷹9號火箭發射，雖然回收幾乎已經要成為常態，但仍然屬於試驗性質。回收下來的火箭，也確實有幾枚進行過二次發射，但這並不是真正意義上的重複使用，畢竟這些火箭回收之後還需要經過長達數月的檢修和翻新，而且無法保證還能夠進行第3次發射——這也是最近幾枚第3批次的獵鷹9號火箭在二次發射後便不再回收的主要原因。

第5批次的獵鷹9號火箭，正是在此前這麼多次回收和復用試驗的基礎上，對火箭的設計進行優化和升級而來的最終版本。除了要滿足NASA嚴格的載人發射要求以外，它還有另一個目標——在幾乎不作整修的情況下至少重複發射10次，而在定期維護的情況下能夠重複發射100次以上。

可以說，第5批次的獵鷹9號才是真正意義上能夠快速廉價重複使用的運載火箭。

第一枚第5批次的獵鷹9號火箭，從外觀上就能看到許多不同。圖片來源：Gary Blair

與前幾個批次相比，第5批次的獵鷹9號最明顯的區別在於外觀——箭體上一些最敏感和關鍵的部位被塗裝成了黑色。這些黑色塗裝由一種稱為Pyron的超級耐熱材料構成，覆蓋在以往回收火箭表面最容易被燒灼的區域。不僅如此，箭體側面一些管線的表面也覆蓋了這種材料。有了這層防護，獵鷹9號的關鍵部位在火箭返回大氣層時，將與外界高達1200℃的高溫徹底隔絕。

鈦制柵格翼，是第5批次獵鷹9號的另一項重要升級。此前的獵鷹9號火箭大都使用鋁製柵格翼，它們在火箭重返大氣層時展開，用來引導火箭下落的方向，同時也承受著大量的熱量。在一些速度較高的火箭回收嘗試中，直播畫面里甚至能夠看到鋁製柵格翼在高溫下開始部分熔化。而鈦的熔點要高得多，完全不會出現這樣的問題。在重型獵鷹首飛時，側面的兩枚助推火箭上就已經使用了鈦制柵格翼。

而最重要的一項升級是針對底盤的。火箭底盤不僅需要可靠地傳遞9台默林1D發動機產生的近200萬磅（大約900噸）推力，在火箭回收進入大氣層時，面對高溫高熱，底盤也不得不首當其衝。在第5批次之前，獵鷹9號的底盤使用的是一種燒灼型隔熱材料，類似於龍式貨運飛船的絕熱罩。因此，在每次發射和回收之後，都必須仔細檢查和替換隔熱材料，才能準備下一次發射。而在第5批次的火箭上，底盤的隔熱材料換成了一種耐超高溫的金屬合金，稱為inconel，不再需要每次都仔細檢查和替換，省了下最耗時間的一項整修任務。

第5批次的獵鷹9號火箭重返大氣層減速準備著陸的場景，目前只是藝術畫，相信很快會成為現實。圖片來源：brickmack

結合這些升級，最終版本的獵鷹9號火箭在回收復用時將比之前的火箭輕鬆許多。有了這樣的火箭，再加上SpaceX正在嘗試的整流罩回收，該公司很可能會實現伊隆?馬斯克之前提出的目標——把航天發射的成本降低到原先的1/10。

現在，第一枚第5批次的獵鷹9號火箭，已經豎立在了麥格雷戈的試驗場上等待點火試驗。它的第一次發射，暫定於2018年4月，將從肯尼迪航天中心的39A號塔架，把Bangabandhu-1通信衛星送往地球同步軌道。

或許這次發射不會像重型獵鷹首飛那麼引人注目，但在邁向廉價、快速、可重複發射這一目標的道路上，這很可能是SpaceX跨出的最重要一步。（編輯：Steed）

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