猎鹰重型火箭首飞成功！它是如何工作的？

shuszhao

北京时间2月7日04：45分许，SpaceX旗下的新型火箭，也是现役运力最强火箭——“重型猎鹰”（Falcon Heavy）火箭首飞成功。   

           

“重型猎鹰”火箭是自土星5号（Saturn V）以来，运力最强的火箭。在它首飞前，SpaceX首席执行官、硅谷“钢铁侠”马斯克也非常忐忑。在自己的个人推特账号上，这位科技“狂人”一改往日的自信，说这只是一次试飞，只要它别在发射台上炸毁，那就算试飞成功。如果发射失败，希望能暴露出更多问题，这样自己才能吸取教训，不断进取。

最终，“重型猎鹰”火箭首飞结果并没有让马斯克失望。




一、猎鹰重型火箭是如何工作的？

对于火箭来说，判断火箭是否强劲的标准就是它的推力。猎鹰重型的27个独立的发动机总共能产生380万磅的推力——足够将310万磅重的火箭本身以及11.7万磅的有效载荷送入近地轨道（一磅约合0.454千克）。猎鹰重型火箭的成功发射对SpaceX公司及美国的太空计划至关重要。

猎鹰重型火箭示意图 by NickKaloterakis

1) 发动机组

9个SpaceX研制的Merlin 1D引擎安置在每一台火箭发动机的底部（3台发动机共有27个引擎）。猎鹰重型火箭的引擎和猎鹰九号（Falcon 9）火箭的引擎完全一样。

2) 第一级：三台火箭推进器

猎鹰重型的第一级是由三台推进器组成的，它们将在火箭发射升空时首先点火。在大约2分45秒的飞行时间中，位于中间的推进器会减小油门，但位于两侧的助推器会始终全力推进直到燃料耗尽。在那个时间点，两侧助推器将会被气动分离器抛出，最终掉进大海，而中央推进器则会增大油门。

3) 中央推进器

当有效载荷的重量大于10万磅时，猎鹰重型火箭会使用交叉燃料供给系统，将两侧助推器的燃料转移到中央推进器，使其在两侧助推器分离后也能保持几乎满燃料的状态，这样就相当于一枚已在高空的满燃料猎鹰9号火箭了。

4) 燃料箱

在每台推进器的顶部各有一个液氧燃料箱，通过一条中央管道给引擎提供燃料；燃料箱的下部储存着煤油。这些推进剂将由涡轮泵入每台Melin发动机的燃料喷射器，混合后被送入燃烧室。

燃料箱生产 by SpaceX官网

5) 第二级

猎鹰重型的第二级由一台单独的Merlin 1D引擎提供推力，这台经过改进后的引擎能在太空的真空环境中正常运行。火箭的第二级给有效载荷入轨提供了最后的推力。这台引擎能够在需要的时候关闭或重新点火，从而使猎鹰重型火箭能够将多个有效载荷送入不同的轨道。

6) 整流罩

猎鹰重型火箭能够运载龙飞船（SpaceX研制的能自由航行的飞船，现在已经在国际空间站的补给任务中得到使用）或者不超过11.7万磅的有效载荷（比如多颗军用或商用卫星）。它们将被装在一个长45英尺，直径为17英尺的整流罩中。整流罩由两个抓斗形状的半壳组成，使用蜂窝铝芯材料和碳纤维面板制造。当第二级接近预期轨道时，气动推进器将两个半壳分离，释放出有效载荷。

整流罩分离 by NickKaloterakis

整流罩 by SpaceX官网

7) Merlin 1D引擎

一台单独的Merlin 1D引擎能在海平面高度产生14.7万磅的推力，它使用煤油和液氧作为燃料，燃料则由涡轮泵入燃烧室。猎鹰重型的液体推进剂相比固体燃料有着不小的优势：液体燃料引擎能在飞行时熄火并重新点火，然而固体燃料引擎会一直运行到燃料耗尽。根据一些SpaceX不会公布的专有调整细节可以知道，最近工程师们通过减轻引擎重量提高了它的效率，这使得Merlin 1D引擎成为迄今为止最高效的火箭引擎。

第一级27台Merlin 1D引擎示意图 by SpaceX官网


9台Merlin 1D引擎by SpaceX官网


Merlin 1D引擎点火试验 by SpaceX官网

8) 着陆支撑腿

猎鹰重型第一级的中央推进器和两侧助推器都装有着陆支撑腿，能让助推器在起飞后更安全地着陆地球。在两侧助推器分离后，中央引擎会点火控制助推器的轨迹安全地远离火箭。支撑腿会在助推器返回地面时展开，使得其平稳着陆。中央推进器会继续工作到一二级分离，在它返回地面时支撑腿同样也会展开。着陆支撑腿会用最先进的碳纤维加上蜂窝铝材料制造。在发射升空时，四个支撑腿将会被固定在每个推进器的侧面，随后在着陆时展开。

着陆支撑腿 by SpaceX官网

与“同门兄弟”猎鹰9号相比，猎鹰重型火箭最明显的特征就是在芯一级周围捆绑了两个庞大的助推器。通过助推器的推力“加持”，猎鹰重型火箭向国际空间站、神舟飞船等飞行器所在的近地轨道的发射能力飙升到了63.8吨，约是猎鹰9号火箭全推力版的3倍、航天飞机的2倍。同时，其向通信卫星使用的地球同步转移轨道发射载荷的能力提高到26.7吨，向火星发射载荷的能力为16.8吨，向太阳系边缘的冥王星发射载荷的能力也有3.5吨。

发射时间表

下面就是猎鹰重型火箭首次试射时间表，SpaceX公司发布的动画展示了猎鹰的每一步太空之旅：

1）预定发射时间之前90分钟：SpaceX的发射主管批准为火箭注入燃料。猎鹰重型火箭的混合燃料包括火箭级煤油（即RP-1）和液态氧。马斯克表示，总的来说，发射台上的火箭燃料相当于400万磅（约1814吨）TNT，与一枚战术核武器当量差不多；

2）发射前1小时：发射前检查开始；

3）45分钟前：SpaceX的发射主管竖起大拇指准备发射。

在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心，SpaceX公司猎鹰重型火箭从39号发射台发射升空。

在升空过程中，马斯克希望猎鹰重型火箭至少能从地面上起飞，远离美国宇航局发射的Launch Complex 39A——这是阿波罗号宇航员发射升空的地方，而且不会爆炸成无数碎片。马斯克此前表示:“如果它能离开发射架，而且不会爆炸成碎片，我认为这就是一场胜利。”显然，他的愿望实现了。  

1）1分零6秒：这套系统成功地经受住了旅途中机械压力最大的部分，这个时刻又被称为max Q，通过前两分钟考验是一个非常好的信号；

2）2分33秒：三个助推器引擎中的两个与核心部分分离。每个一级助推器有9个引擎，总共有27个引擎。两个助推器随后返回着陆点进行翻新，最终会重新使用；

3）3分零7秒：中心助推器飞得更远，使有效载荷在分离之前获得更大推力；

4）3分15秒：火箭第二级引擎启动。它在飞行中熄火8.5分钟，然后在28分22秒后重启；

5）7分58秒：两个副助推器成功地引导自己着陆；

6）在发射后的8分19秒，中心助推器预计将降落在大西洋上的无人驾驶船舶上，但是这个助推器的视频连接中断了，所以我们还在等待它的命运；

7）28分52秒：第二级引擎熄火。猎鹰重型火箭最上面运载特斯拉跑车的部分，现在正在通过地球周围的强辐射场滑行。在发射后，马斯克在推特上写道:“它将在Van Allen带花5个小时，然后尝试最后的火星燃烧。”

马斯克此前曾表示“火箭将会受到高能粒子的重击”。设计这条路线的部分原因是为了证明SpaceX的火箭能够经受住考验，并有望赢得新客户。

到目前为止，发射任务似乎进展十分顺利。火箭穿过了最大应力时刻，释放了两个助推器，它们现在已经成功降落在肯尼迪航天中心。然而，我们还需要一段时间才能知道猎鹰重型火箭的演示飞行是否完全成功。

猎鹰重型火箭的成功发射标志着太空飞行取得的巨大进步，它是世界上最强大的运载火箭。SpaceX计划进行更多发射，现在其已经证明了它的工作原理有效，很可能会有更多客户对猎鹰重型火箭感兴趣。

猎鹰重型火箭的相关数据（来自SpaceX官网）

第一级
助推器数量：3
引擎数量：27
海平面推力：17615 kN（396.9万磅）
真空推力：20017 kN（450万磅）

第二级
引擎数：1
燃烧时间：375秒
真空推力：801 kN（18万磅）

技术细节
高度：68.4米
宽度：116米
级数：2
助推器数：2
质量：1462.8吨
运送到近地轨道（LEO）有效载荷：53吨
运送到地球同步转移轨道（GTO）有效载荷：21.1吨
运送到火星有效载荷：13.2吨

猎鹰重型火箭与其他重型火箭比较 by SpaceX官网

二、按大小个儿排各国火箭啥样？

世界上有自制并且自射能力的火箭拥有国，下面给火箭大家族来一张全家福。当然了，篇幅有限，每个家族只能提下名字，具体各个家庭成员都不敢点名了，那都够出本工具书了。不过，这样子就已经挺惊人的。还是放图吧！



听说拍全家福时，按照大小个头儿排更有趣。不信瞧瞧——

有一份全球航天发射统计称，俄罗斯共进行了3230次航天发射，占全球总数的近60%，美国共进行1694次发射，占30.8%，中国共进行了222次发射，比欧洲少了点，排名全球第四，占全球发射总数的4%。



中国在火箭发射次数上赶超了欧洲，并且“长征”2F火箭已经与来自美国的航天飞机、俄罗斯的“联盟号”火箭一起成为世界上仅有的三种轨道载人运载工具。



在当今世界主要航天国家中，中国大推力火箭的运载能力是尴尬的倒数第二，仅领先于印度，当前世界上主流的大型运载火箭，LEO（近地轨道）运载能力为20吨左右、GTO（地球同步转移轨道）运载能力在8~12吨级，远高于中国运力最大的长征3B火箭。



但是咱要的是安全第一。近20年中国长征火箭的发射成功率一直居全球之最。中国运载火箭具有串并兼具、固液并存、常温低温共用，三级和上面级实现两次启动、一箭多星等特点，发射成功率达96%。

三、“新格伦”火箭简析以及与“重型猎鹰”火箭对比

sun5304

感谢楼主提供这么详细的资料！学习学习。

panups

非常了不起！

晨曦37

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