SpaceX教你堆火箭
作者:闹钟转载自：飞天众智
自从2010年起来，美国的SpaceX（太空探索技术公司）已近乎发展成为了一种流行文化。有狂热的粉丝，也有相关的文化图腾，更有无数力挺的跨界著名关注者。目前，已被许多营销团体或者个人包装用于各类营销目的。
当然，这种现象并不奇怪。截至2015年末该公司的“猎鹰9”火箭（Falcon-9）完成了至少6次发射，把多颗航天器送入轨道。作为一种LEO酬载13吨、典型发射任务报价只有5400万美元的“经济适用型”中型运载火箭，“猎鹰9”的实用、可靠已经得到证明。而这并非SpaceX最著名的地方。
“猎鹰9”迄今进行过4次一子级垂直回收试验，这是去年12月唯一成功的那一次
最吸引眼球的是——迄今为止“猎鹰9”回收型进行了4次一子级垂直回收试验，有一次获得圆满成功（载荷入轨＋回收成功），剩下的几次也部分成功（载荷入轨＋回收失败）。
众所周知，SpaceX的创始人埃龙·马斯克并非航天专业出身，但是自创办SpaceX以来，搞得有声有色。这一切是怎么做到的？
货架产品＋成熟技术＋扁平化研发＋够用就行 = 猎鹰火箭
SpaceX的成功之道，简而言之两个字——堆砌。
以“猎鹰9”【注：本文所有数据均取自最新的版本1.1型号】为例，其采用涡轮发射器循环的梅林（Merlin）液氧煤油发动机单台推力一般。为了能满足推力要求，火箭第一级居然并联9台梅林1D型（起飞级型号）。最终实现了整箭最大起飞质量541吨，200km/28°圆轨道酬载约13吨的优异成绩。
众所周知，发动机是决定运载火箭性能的最关键因素，而梅林发动机是在上世纪60年代、阿波罗计划的登月舱的下降段发动机的基础上演进发展而来，海平面比冲只有270s～275s（梅林1D，更早型号的比冲还要低一些），它的循环模式、比冲都指标都已经落后，推力也偏低，哪怕是最新型号、海平面推力最大的梅林1D，也只有大约66吨推力。
梅林1C发动机：小巧、简单
是因为没有更好的引擎？显然不是。
在NASA琳琅满目的货架上，梅林发动机和航天飞机的主发动机SSME相比，就是技术落伍的“大路货”。比如大名鼎鼎的洛克达因（Rocketdyne），它研发的SSME，液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用，海平面比冲366s、海平面推力约190吨，甩开梅林1D一大截，真空比冲（452s）的差距就更大了，梅林1D只有310s。基于坊间戏称SpaceX是NASA的“干儿子”，而梅林发动机也是这位干妈带来的礼物之一。如果说这种发动机很一般，那么看来似乎妈对这个“干儿子”也不怎么样咯？
答案还是否定的，因为这是SpaceX自己的选择。
航天飞机主发动机：性能优越，价格更是感人
“猎鹰9”的成功就在于它采用了梅林发动机这样的“大路货”。
梅林发动机廉价，最新型的梅林1D、据推算价格也只有百万美元级别，而SSME的价格是几千万美元，折算成单位海平面推力价格，SSME是梅林1D的至少十倍，燃料的价格也差异极大（液氢VS煤油）。梅林发动机的推力适中，一子级九发并联、二子级一台梅林V，梅林V是在起飞级型号的基础上，采用大面积比的高空喷管改进而来，和梅林1D有很大的继承性。于是，一种发动机满足了所有需要，而其技术始于外来的无偿转让，公司要做的只是在获取技术的基础上进行开发和改进——这也极大地摊薄了研发成本。更是有利于组织批量生产、控制成本、提升质量。最终，以最经济的价格生产出适用的引擎。
“梅林”发动机生产流水线
除了发动机，“猎鹰9”还大量选用商业、工业级电子元器件，相比较昂贵的宇航级器件，不仅有效降低了成本，这些器件采用的技术更先进、性能指标更好，比如说CPU，宇航级CPU比商业、工业级产品至少落后两代。“猎鹰9”毕竟不是卫星、不是深空探测器，它的工作寿命以分钟计、而非以月、以年计，商业、工业级元器件只要经过严格测试，辅以有针对性的辐射防护，完全可以在火箭上使用。
SpaceX的电磁干扰（EMI）测试室
在研发/生产管理上，互联网行业投资人出身的埃隆·马斯克把该行业的管理体制和组织架构引入SpaceX，采用扁平化管理模式：公司内部没有通常意义上的部门划分，甚至没有组织机构图，各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作，研发与生产的联系更为紧密，抛弃了不必要的繁文缛节和复杂低效的冗长管理流程。有一个不能保证真实性的故事，姑且算个段子吧，可见SpaceX的管理风格：“猎鹰9”研发工作的早期，某次发射前，经过计算和分析、一子级发动机的喷管需要调整面积比。如果是传统的航天系统作风，这个调整从请示报告再到层层批复、直到最终实施，最快也要一个星期。SpaceX不走这个套路，现场的技术负责人当场拍板，工程师马上拿着工具就去把喷管剪掉一截，前后统共几个小时，搞定。得益于这种扁平化管理、互联网基因，加之NASA全力支持，提供了大量设备、设施和智力支援，SpaceX长期保持着研发、生产团队的精干高效，公司曾经多年维持在数百人规模，2012年才扩张到千人，在有效控制人力成本的同时、保证了研发工作的高效率，“猎鹰9”火箭从方案论证到首飞，仅用了四年半时间。
埃隆·马斯克等SpaceX的高管层在监看火箭发射：典型的互联网公司风格
背黑锅你来，送死我去！SpaceX的抉择
SpaceX是NASA大力扶持，用来对抗ULA（发射联盟）的重要工具，NASA不仅授予SpaceX大量发射合同，还向其近乎无偿地转移了大量技术，并提供关键的设备、场所，帮助SpaceX研发、制造运载火箭和货运飞船，这种扶持力度之大，放在中国的体制下、甚至有国有资产流失＋利益输送的嫌疑。但是这并不意味着SpaceX在技术上完全依赖NASA、吃NASA在过去几十年攒下的老本。相反，SpaceX很重视打造自己的技术力量、掌握核心和关键技术，进行了大胆的技术革新。在这个过程中，包括埃隆·马斯克在内的SpaceX公司决策层，表现出很好的“技术感觉”，有所为、有所不为，战略眼光精准、独到，赋予“猎鹰9”火箭诸多技术亮点。
在发动机方面，SpaceX没有去啃富氧燃烧、高压补燃循环这块硬骨头。SpaceX很清楚高压补燃循环发动机的技术难度，把突破点放在了另一个方面：减重。梅林发动机的原型，阿波罗飞船的降落发动机，本来就以高推重比为特点，SpaceX在研发过程中更是大胆采用了诸如爆炸成型工艺等新技术、新材料，在大幅度提高燃烧室压力、增加发动机推力的同时，减重30％，梅林1D发动机的推重比高达150。
Merlin1C（左）/Merlin1D（右）对比，后者的结构进一步简化
另一方面，SpaceX在箭体减重方面也下了很大力气，大胆使用诸如 2198铝-锂合金这样的新材料，并且在结构减重设计方面堪称冒进。例如，“猎鹰9”1.1版的级间段把分离机构从1.0版的九个减为三个，并且把火箭的长径比放大到19，这个设计可谓惊世骇俗。根据中国航天系统多年积累的经验，增大长径比有利于降低火箭的飞行阻力、减轻箭体重量，但是同时造成箭体纵向刚度不足、容易发生震颤、进而降低火箭的可靠性，所以长径比最好不要超过15——火箭纵向刚度不足带来的后果可能是灾难性的，“东风2”导弹首飞，就是因为纵向刚度不足、箭体发生震颤导致发射失败，教训十分惨痛。可以说，在箭体设计方面，SpaceX榨干了材料的潜力、颠覆了一系列火箭设计的经验公式，甚至带着一副“人有多大胆，地有多高产”的混劲来进行“赌博”式的尝试。但他们博对了，由此带来的好处也很明显，“猎鹰9”1.1版做到了高达30的干质比，箭体减重做到了极致。
“猎鹰9”火箭1.1版级间段，分离机构从1.0版的9个减为3个
美国国内现役几种主力火箭等比例对比图（缺战神系列）。“猎鹰9”火箭1.1版（左3）长径比达到19，人送外号“铅笔火箭”
对火箭公式有所了解的朋友应该知道，决定运载火箭性能的因素有两个：一是发动机比冲，二是火箭的干重。提高比冲、降低干重都可以提高火箭的运载系数。梅林发动机采用的燃气发射器循环限制了发动机比冲的提高，从较早的梅林1C到最新的梅林1D，燃烧室压力从1000psi提升到1420psi，海平面比冲仅仅从约266s提升到273s（推测值），比冲提升的空间已经很小。但是，通过发动机和箭体的减重，“猎鹰9”用比冲指标落伍的发动机、实现了还算不错的运载系数，和“长征7”火箭相当。
年后即将试射的“长征7”。其发动机设计非常先进，但箭体构造却保守落后，以至于大大拖累了整体能力。未来，将有必要进行大刀阔斧的改进和升级，以挖掘其最大潜能
要知道“长征7”使用的YF100发动机可是高压补燃循环、富氧燃烧技术，海平面比冲301s，技术领先“梅林”整整一代，但是，因为箭体设计保守、加之发动机推重比不高（坊间传闻，YF100有超重问题），“长征7”的干质比不高，潜力并没有被充分挖掘，运载系数仅仅和“猎鹰9”打了个平手，发动机的领先并没有转换成运载系数的领先，实在不太令人满意——这恐怕也是“长征7”将来需要大力改进提高的地方。
项庄舞剑——“醉翁之意不在酒”的一子级回收复用技术
行文至此，有一个结论已经跃然纸上：SpaceX的“猎鹰9”火箭，是一款使用货架产品＋成熟技术，并且大胆运用新材料、新工艺，性能较好、成本控制非常成功的“经济适用性”火箭。但是SpaceX在2015年最吸引眼球的地方，并不是“猎鹰9”的技术成熟与价格低廉，而是它的一子级回收复用试验。虽然多次试射磕磕碰碰，只有一次陆上回收取得了成功，但是“猎鹰9”回收型所采用的主发动机减速＋垂直回收模式无疑是开创性的，埃隆·马斯克更是频频放话，要凭借这个技术实现航天发射的“白菜化”，把单位质量发射成本降低1/20，震惊世界。对此，外界褒贬不一，心悦诚服、深信不疑者有之，半信半疑、谨慎观望者有之，更有人嗤之以鼻、认为这纯属嘴炮牛皮……那么，“猎鹰9”的一子级回收复用，真的能兑现埃隆·马斯克的豪言、颠覆国际航天发射市场的格局？或者，这根本就是“项庄舞剑，意在沛公”？
“猎鹰9”火箭一子级回收现场照片（到目前仅有的一次成功）。而马斯克则宣布，这枚子级不会复用……
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