當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月6日中午12時(shí)45分，美國(guó)SpaceX公司的“重型獵鷹”運(yùn)載火箭在萬(wàn)眾矚目中在肯尼迪航天中心的39A發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。這個(gè)發(fā)射場(chǎng)曾經(jīng)用于執(zhí)行“阿波羅”登月飛船的和航天飛機(jī)發(fā)射任務(wù)，當(dāng)時(shí)這兩種航天運(yùn)載器都是美國(guó)和世界上最大的航天運(yùn)載器，“重型獵鷹”再次重現(xiàn)了這一輝煌。

“重型獵鷹”火箭作為現(xiàn)役最大的火箭，載重大本身是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)和亮點(diǎn)，這涉及復(fù)雜的工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常難。但實(shí)際上，“重型獵鷹”以及“拼湊”它的“獵鷹-9”運(yùn)載火箭的先進(jìn)之處不僅僅表現(xiàn)在其載重大上。

“重型獵鷹”是目前運(yùn)載能力系數(shù)最大的火箭，其發(fā)動(dòng)機(jī)的推質(zhì)比最大，此外還采用了一系列提高可靠性的技術(shù)。可以說(shuō)，讓它坐上當(dāng)今最強(qiáng)火箭寶座的，是一個(gè)龐大的新技術(shù)、新理念陣列。

現(xiàn)役火箭運(yùn)載能力系數(shù)最高

“重型獵鷹”的一個(gè)先進(jìn)之處在于運(yùn)載能力系數(shù)非常大。運(yùn)載能力系數(shù)是指其最大有效載荷與起飛重量的比值。這個(gè)數(shù)值越大，意味著火箭能以更小的重量，扛起更大的載荷，說(shuō)明火箭總體設(shè)計(jì)優(yōu)秀。對(duì)于大型、重型火箭而言，這一指標(biāo)可以大大瘦身，降低總體重量，減少燃料，降低總體成本。更難得的是，“重型獵鷹”的高運(yùn)載能力系數(shù)是以最簡(jiǎn)單的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的。

如果以其近地軌道（LEO）有效載荷63.8噸、最大起飛重量1428噸算，“重型獵鷹”運(yùn)載系數(shù)高達(dá)0.0447。目前現(xiàn)役的重型“德?tīng)査蘒V” 全部采用液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，其近地軌道運(yùn)載能力系數(shù)為0.0387。長(zhǎng)征七號(hào)的LEO運(yùn)載能力系數(shù)為0.0226。如果我們以中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭GTO有效載荷14噸、起飛重量878噸算，其GTO運(yùn)載能力系數(shù)為0.0159。而“重型獵鷹”的GTO軌道運(yùn)載能力系數(shù)高達(dá)0.0187！

要知道，“德?tīng)査蘒V”采用的是液氫液氧高能燃料，而長(zhǎng)征五號(hào)芯級(jí)火箭使用的是液氫液氧燃料，助推器發(fā)動(dòng)機(jī)雖然使用的是液氧煤油，但是循環(huán)方式是燃燒效率更高的分級(jí)燃燒循環(huán)。這兩種火箭的運(yùn)載能力系數(shù)之前在國(guó)際上可以說(shuō)是數(shù)一數(shù)二，特別是和那些采用了固體助推器的火箭相比，而在“重型獵鷹”面前卻遜色三分了。

發(fā)動(dòng)機(jī)推質(zhì)比最高

按理說(shuō)，無(wú)論是長(zhǎng)征五號(hào)使用的高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)還是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，其比沖（比沖是指單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的沖量，代表著燃料的能量和燃燒效率）都要高于“重型獵鷹”使用的“梅林-1D”發(fā)動(dòng)機(jī)，為何最終的效率卻不如“重型獵鷹”呢？

這就涉及“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)另外一項(xiàng)“劍走偏鋒”的設(shè)計(jì)。它以簡(jiǎn)單的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)設(shè)計(jì)達(dá)到了極高的推重比。燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，也就是利用燃料在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)燃燒產(chǎn)生燃?xì)?，?qū)動(dòng)渦輪泵，通過(guò)渦輪泵向主燃燒室內(nèi)注入大量燃料燃燒，燃?xì)獍l(fā)生器燃燒后的廢氣直接排出發(fā)動(dòng)機(jī)外（所以又被稱為開(kāi)始循環(huán)），這被認(rèn)為是一種不夠先進(jìn)的循環(huán)方式。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的高壓補(bǔ)燃循環(huán)或者叫分級(jí)燃燒循環(huán)，則將燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的富氧或者富燃?xì)怏w排入燃燒室（燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的燃料混合比不能達(dá)到最佳，否則溫度過(guò)高）“再燒一次”，這樣不僅利用了“廢氣”中的能量，而且燃燒室內(nèi)進(jìn)行更充分和可控的液-氣混合燃燒。所以，同樣的燃料，分級(jí)燃燒的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖普遍燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)更高?！懊妨?1D”發(fā)動(dòng)機(jī)既沒(méi)有使用能量更高的液氫液氧，也沒(méi)有使用分級(jí)燃燒技術(shù)，所比沖相對(duì)較低。

但是，正是由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加之設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料先進(jìn)，使其推重比達(dá)到了空前的水平。2014年第100臺(tái)“梅林-1D”發(fā)動(dòng)機(jī)制造完畢時(shí)，其推重比為155。而有些資料顯示最新型“梅林-1D”發(fā)動(dòng)機(jī)推重比高達(dá)180甚至更高，這以數(shù)值遠(yuǎn)超世界任何一款液氧煤油和液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。之前最終比最高的發(fā)動(dòng)機(jī)是蘇聯(lián)N-1火箭的NK-33，推重比也就120左右。

推重比高的優(yōu)勢(shì)就是在提供相同推力的時(shí)候，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)自身重量，進(jìn)而提高火箭整體的干質(zhì)比（火箭除了燃料以外的各種系統(tǒng)的質(zhì)量和火箭總體質(zhì)量之比），這個(gè)數(shù)值是決定火箭的整體效率的另外一個(gè)重要因素。干質(zhì)比約大，越有利于火箭的加速。

“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)化了生產(chǎn)，2014年的產(chǎn)量是每周4-5臺(tái)。

多冗余度技術(shù)保證高可靠性

一臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)可以舉起相當(dāng)于40臺(tái)轎車(chē)的重量，9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一秒鐘能夠燃料540加侖燃料，相當(dāng)于在不到一分鐘的時(shí)間里抽干一個(gè)家庭游泳池的容積。不過(guò)，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，其推力是非常小的，SpaceX公司不得不“推力不足數(shù)量補(bǔ)”。不過(guò)，“梅林-1D”發(fā)動(dòng)機(jī)體積也非常小，所以可以在“獵鷹”火箭的3.66米的殼體中塞進(jìn)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)征-7號(hào)3.35米直徑也只并聯(lián)了2臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)。

對(duì)于傳統(tǒng)火箭來(lái)說(shuō)，“推力不足數(shù)量補(bǔ)”是一個(gè)被迫采取的手段，因?yàn)檫@種方式被認(rèn)為會(huì)大大降低火箭的可靠性。其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，都會(huì)對(duì)火箭的成功發(fā)射構(gòu)成致命威脅。而且并聯(lián)過(guò)多發(fā)動(dòng)機(jī)，之間也會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的耦合震動(dòng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的越多，可靠性越差。一個(gè)最典型的例子就是當(dāng)年蘇聯(lián)的登月火箭N-1，一級(jí)使用了30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，幾次發(fā)射均以失敗告終。這次“重型獵鷹”發(fā)射前，SpaceX公司總裁馬斯克也承認(rèn)：“‘重型獵鷹’要求同時(shí)點(diǎn)火27個(gè)軌道級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，這時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，這是地面測(cè)試很難預(yù)測(cè)的事之一”。

但最終“重型獵鷹”成功了。這仍然得益于“梅林-1D”發(fā)動(dòng)機(jī)自身的設(shè)計(jì)。首先，由于其結(jié)果簡(jiǎn)單，自身具有高度可靠性，進(jìn)而大幅增加了總體可靠性。其次，“梅林-1D”發(fā)動(dòng)機(jī)推力可以在大范圍內(nèi)調(diào)整。拼湊“重型獵鷹”的“獵鷹-9”火箭即便發(fā)射時(shí)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，其他發(fā)動(dòng)機(jī)可以自動(dòng)增加推力補(bǔ)償。甚至在度過(guò)了發(fā)射初期的最關(guān)鍵時(shí)刻，即便有兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效也無(wú)妨。所以，即便其一級(jí)安裝了多達(dá)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，仍然保持了較高的可靠性。這又源于“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)可在大范圍調(diào)整流量的渦輪泵，而其核心技術(shù)就是針?biāo)ㄊ絿娮⑵鳎沟闷湓谕屏φ{(diào)節(jié)和燃燒穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異。在長(zhǎng)征五號(hào)之前，中國(guó)火箭的渦輪泵基本不具備變流量能力，長(zhǎng)征五號(hào)雖然具備一定的調(diào)整能力，但是無(wú)法通過(guò)大幅度增加其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的形式彌補(bǔ)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效。

上述技術(shù)只是“重型獵鷹”一系列新技術(shù)陣列中的幾項(xiàng)。正是在美國(guó)的整體工業(yè)優(yōu)勢(shì)支撐下、大量的航天人才儲(chǔ)備下以及殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，成就了“獵鷹-9”和“重型獵鷹”。

當(dāng)然，“重型獵鷹”由于發(fā)動(dòng)機(jī)太多，可靠性還需要后續(xù)發(fā)射進(jìn)一步驗(yàn)證，特別是當(dāng)起飛時(shí)如果處于不同位置的多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，其面臨的推力構(gòu)型和耦合震動(dòng)都很復(fù)雜。所以，“重型獵鷹”基本上是把“梅林-1D”的潛力挖掘殆盡了。無(wú)論是中國(guó)未來(lái)的長(zhǎng)征九號(hào)運(yùn)載火箭，還是美國(guó)在研的巨型火箭，都是基于大型的發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是“重型獵鷹”這種捆綁小型發(fā)動(dòng)機(jī)的形式。

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