来稿|重型猎鹰:没你想象的那么成功
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1、点击标题下"航旅圈"
昨天有没有被载着特斯拉上天的火箭刷屏?今天一早，我们收到了一位有不同看法的作者来稿，作者 曾在美国阿拉巴马州NASA航天中心学习火箭工程与载人航天史，欢迎有兴趣文末留言或与其探讨~
说到SpaceX的Falcon系列火箭不得不提的就是它的一级回收再利用能力。
从历史上来说，回收运载火箭不是一门新学问，早在航天飞机(STS)时代，美国人已经能够回收并且重新使用航天飞机轨道器和两个固体火箭助推器(SRB)了。可是助推器使用降落伞溅落在海上，经过水浸，打捞，维修整备成本太高，另外，轨道器在再入后需要大量的维修才能进行下一次发射，浪费资金和时间，而且轨道器的自重太大，也相应减少了商载的质量。这些都为航天飞机的退役埋下伏笔。
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与航天飞机助推器的降落伞溅落+轨道器升力体滑降的回收方式不同，SpaceX的猎鹰系列选择的是动力回收，即通过发动机制造反推力来减速。在一个正常的猎鹰9号全推力型(Falcon 9 v1.2 Full thrust，以下简称FT)发射过程中，一二级分离后，二级主机开机继续加速载荷，一级在RCS(反映控制系统)帮助下逆向飞行，随后主引擎开机，将一级从原发射轨道变入返回轨道，沿轨道飞回卡拉维纳尔角(或无人船)的过程中，一级在此逆向开机，以减少速度防止与大气摩擦过热，随后打开栅格稳定翼，最后，在低空主机再次开机，着陆架在接地前展开，随后一级接地。
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猎鹰FT一级有9个莫林(Merlin)1D主发动机，二级有一个莫林1D真空发动机。在整个返回过程中，莫林发动机需要三开三关，并且能够精确控制推力大小。相比时下流行的液氢液氧燃料，猎鹰系列使用的是煤油液氧燃料，这使得SpaceX在避开偏二甲肼+四氧化二氮的剧毒组合后，还能降低成本，尽管重量也会随之增加。
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猎鹰重型(FalconHeavy，以下简称FH)在芯一级两侧捆绑了两枚一毛一样的一级火箭，类似波音德尔塔4重型火箭(BoeingDelta IV Heavy)的布置。为了确保在BECO(助推器关机)和MECO(主机关机)之间有35秒的间隔，同时最大化燃料效率，FH的芯一级在离地后不久会减小推力以节省燃料，推力会在助推器分离后重新提高(SpaceX原本的想法是在助推器和芯级间实现交叉供油以便更早扔掉助推器，然而这显然。。。很不现实)。
这次发射的FH火箭的两只助推器来自2016年5月发射泰国通信卫星8号(Thaicom-8)的FT火箭一子级和2016年7月为补给国际空间站(ISS)发射龙式(Dragon)9号货运飞船的FT火箭一子级。如果你仔细观察，可以发现助推器的栅格翼是黑的，这次发射将是他们的第二次飞行。
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(波音德尔塔4重型火箭(BoeingDelta IV Heavy)
两个助推器成功地同时降落在了肯尼迪航天中心的LZ-1和LZ-2上。
然而芯一级却出现了问题，这是本次发射中第一个失利:芯一级坠海。
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(发射前FH火箭，可见助推器上的栅格稳定翼1是黑色的)
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FH火箭的助推器分离与一二级分离之间有34秒的间隔，34秒的时间内火箭能飞出去很远，所以让芯一级返回卡拉维纳尔角是不现实的，SpaceX为芯一级在大西洋上准备了无人驳船“我当然还爱你”(Of Course I Still Love You)号以降落芯一级。然而芯一级并没有降落在船上，而是以300英里每小时(大约500千米/时)的速度摔入了距离驳船300英尺(100米)左右的海里。
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笔者看了直播视频，芯一级最后的清晰画面是打开栅格稳定翼，目测高度应该在3万米左右，根据程序推测第二次返回点火已经完成并关机，隐约还能看见RCS调姿。
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芯一级的最后可用画面是一片灰白，不停有水滴网镜头上撞，笔者推测这有可能是穿云的画面或者是已经坠毁，根据信号判断，更可能已经坠毁。根据新闻发布会，事故的原因是发动机化学打火剂TEA-TEB(三乙基铝与三乙基硼烷)用尽，导致第三次需要开机的三台发动机中，只有一台点火。以莫林1D的性能，大车状态下的一台发动机足以让出于返回状态下的芯一级成功着陆。
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根据500公里的溅落速度，不难推断出三次点火并没有成功或持续很长时间，个人分析主要有两个原因:
一:猎鹰芯一级不接受全推力着陆。这个理由很充分，全推力着陆很可能会对着陆区与驳船造成不可逆的损伤(高温高压)。
二:推力不对称。猎鹰芯一级的9台莫林发动机以8台圆形，1台在圆心的方式排列。三点火的三台发动机是中心一台加上外侧对称的两台。如果能工作的是外侧发动机，那么点火势必造成偏转力矩，导致箭体自旋失控，有撞上驳船的风险，必须关机。
至于为什么会用完点火剂，非常值得思考。正常情况下每次点火的时间都是计算妥当的，点火剂和燃料应该不会少。点火剂用光，正是证明了SpaceX缺乏冗余设计(可能是为了成本)。
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说到什么东西加少了，SpaceX绝对是这方面的专家。
2014年9月21日猎鹰9号V1.1F13搭载龙4号飞船起飞后，返回时液氧用光发动机无法点火，一级最终坠毁。
2015年1月10日猎鹰9号V1.1F14搭载龙5号飞船起飞后，返回时栅格稳定翼由于液压油没了所以无法控制，一级最终坠毁。
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2016年3月4日猎鹰9号FT搭载SES-9通信卫星起飞后，由于卫星发射地球静止转移轨道(高度较高)，所以一级返回时剩的燃料太少，由于缺少燃料，一级最终坠毁。
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然后就是这次了，却少点火剂，芯一级坠毁。
SpaceX即将在今年年底发射载人的二代龙式飞船(Dragon V2)，对于载人航天来说，冗余设计尤为重要，这是SpaceX的弱点，也是SpaceX急需改进的地方，生命非儿戏，没有人愿意看到，下一个用光的，是飞船上的氧气。
这次发射的第二个失败是入轨精度，特斯拉跑车的预定轨道是以太阳为环绕物体，近点在地球轨道，远点在火星轨道的椭圆轨道，也就是近点1AU，远点1.52AU的椭圆轨道(AU=天文单位，1AU=平均日地距离)，实际上，根据马斯克在推特上公布的入轨数据，特斯拉轨道近点0.98AU，远点2.61AU，远日点已经接近小行星带的谷神星轨道。
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FH火箭的二级使用一台莫林1真空发动机，和FT火箭的二级通用。这次飞行中，二级火箭开机了三次，一次是在一二级分离后，另一次是在SECO-1(二级一次关机)的滑翔段结束后圆化轨道是，第三次是穿过范艾伦辐射带后将特斯拉抬入地球逃逸轨道的变轨机动。这次入轨的失败，主要是第三次入轨时间太长了，发动机没有及时关机，高点抬得太高了。
第三次的变轨机动虽然是最复杂的，由于涉及到相对地球的逃逸以及相对太阳的变轨，但是无论如何变轨都是朝一个方向将发动机点火一段时间后关机。我不相信SpaceX在计算轨道方面会有任何的问题，我更认为这是关于发动机三次重启开机的技术问题，毕竟之前猎鹰系列火箭并没有做过这样的试验，但是这也能反映出莫林发动机隐藏着的一定问题。
SpaceX在发动机关机方面之前也出现过问题，例如2015年4月14日，搭载国际空间站提供补给的龙6号飞船的猎鹰9号V1.1F17火箭的一级在驳船降落时由于引擎未能及时关机而回收失败。虽然之前出现事故的是一级，但是一级和二级使用的发动机都是莫林1D。
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SpaceX应该借此为契机，仔细检查与改进莫林发动机，为今后的载人航天打下扎实的基础。
总的来看，这次FH的试飞是成功的，然而暴露出的问题仍说明了SpaceX在设计理念方面就有一定的缺陷，而且在之前的事故中并没有举一反三，如果要在今后成功地全商业化运行，必须要克服这些思想上的困难。从另一个更为严苛的角度来看，如果昨天的发射是商业飞行，那发射已经失败了--载荷未能进入预订的轨道。这也侧面证明了运载火箭的一条金律--关键不是打得多远，而是打得多准。
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