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獵鷹9號運載火箭

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獵鷹9號運載火箭
KSC-20160408-PH KLS0001 0005 (25704320894).jpg
SLC-40上的獵鷹9號全推力型運載火箭,載有執行CRS-8任務的龍飛船(2016年4月8日)
用途 軌道運載火箭
製造商 SpaceX
製造國家  美國
單次發射費用 (2019) FT: $62M[1]
外型及質量參數
高度
  • FT: 70米(230英尺)[2]
  • v1.1: 68.4米(224英尺)[3]
  • v1.0: 54.9米(180英尺)[4]
直徑 3.7米(12英尺)[2]
質量
  • FT: 549,054公斤(1,210,457磅)[2]
  • v1.1: 505,846公斤(1,115,200磅)[3]
  • v1.0: 333,400公斤(735,000磅)[4]
節數 2
酬載量
有效載荷-
近地軌道
  • FT: 22,800公斤(50,300磅)[1]
  • v1.1: 13,150公斤(28,990磅)[3]
  • v1.0: 10,450公斤(23,040磅)[4]
有效載荷-
GTO
  • FT: 8,300公斤(18,300磅)[1]
  • v1.1: 4,850公斤(10,690磅)[3]
  • v1.0: 4,540公斤(10,010磅)[4]
發射歷史
現況
  • Block 5: 現役
  • Block 4: 退役
  • FT Block 3: 退役
  • v1.1: 退役
  • v1.0: 退役
發射場
總發射次數
  • 35
    • FT: 15[a]
    • v1.1: 15
    • v1.0: 5
成功次數
  • 33
    • FT: 15
    • v1.1: 14
    • v1.0: 4
失敗次數 1[a] (v1.1)
部分失敗次數 1 (v1.0)[6]
首次發射
末次發射
第一級
引擎
推力
  • FT (2016年末): 7,607 kN(1,710,000 lbf[10]
  • FT: 6,806 kN(1,530,000 lbf[2]
  • v1.1: 5,885 kN(1,323,000 lbf[3]
  • v1.0: 4,940 kN(1,110,000 lbf[4]
比衝量
  • v1.1
  • v1.0
    • 海平面: 275 s[4]
    • 真空: 304 s[4]
推進時間
  • FT: 162 s[2]
  • v1.1: 180 s[3]
  • v1.0: 170 s
燃料 LOX / RP-1
第二級
引擎
推力
  • FT: 934 kN(210,000 lbf[2]
  • v1.1: 801 kN(180,000 lbf[3]
  • v1.0: 617 kN(139,000 lbf[4]
比衝量
推進時間
燃料 LOX / RP-1

獵鷹9號運載火箭英語:Falcon 9)是SpaceX設計並及製造的中型兩級入軌英語Two-stage-to-orbit運載火箭系列,以星球大戰系列中的「千年隼(Millennium Falcon)」和第一級擁有的9個發動機而得名。獵鷹9號已發展出5個型號:獵鷹9號1.0版(已退役)、獵鷹9號1.1版(已退役)、獵鷹9號FT(Block 3)英語Falcon 9 Full Thrust(已退役)[13]獵鷹9號 Block 4英語Falcon 9 Full Thrust(已退役)獵鷹9號 FT Block 5英語Falcon 9 Full Thrust(現役)。現役的獵鷹9號Block 5型能夠在不回收第一級助推器的前提下向低地球軌道發射重達22,800公斤(50,300英磅)的載荷[2], 向地球同步轉移軌道發射8,300公斤(18,300英磅)的載荷。[14][15]

獵鷹9號運載火箭在人類航天史上有着極為重要的歷史地位:它是第一枚完全於21世紀開發和設計的火箭、第一枚實現可控陸地和海上垂直着陸回收的火箭、以及第一枚實現第一級多次重複使用英語Reusable launch system的火箭,此外也是美國首度由私人企業承包國家探索太空的發射工作,其低成本、多發並聯、多次使用、垂直回收的設計思路深刻地影響了商業航天時代的火箭的設計,其極為低廉的發射價格也徹底改變了國際商業航天市場的格局。

獵鷹9號運載火箭和龍飛船的組合於2008年贏得了NASA商業補給服務英語Commercial Resupply Services(CRS)的合同,在商業軌道運輸服務英語Commercial Orbital Transportation Services(COTS)下向國際空間站(ISS)運送貨物。做為商業乘員運輸能力英語CCtCap(CCtCap)合同的一部分,SpaceX計劃為獵鷹9號運載火箭申請載人認證英語Human-rating certification,使該款火箭能向國際空間站運送宇航員,如此便達成太空載具可完全多次利用、且載人進入地球軌道的最終目標,SpaceX估算屆時發射成本多數為民間可負擔的燃料費,使普通企業也能開展太空飛行的業務英語Private spaceflight

SpaceX的獵鷹重型運載火箭基於獵鷹9號而設計。

開發與生產[編輯]

投資[編輯]

儘管SpaceX自己花錢研發了先前的獵鷹1號火箭,但NASA提供的一些開發資金和購買的幾次演示飛行使獵鷹9號的開發大大加快。最初,2006年的COTS英語Commercial Orbital Transportation Services項目為獵鷹9號提供了啟動資金。[16][17]該合同以Space Act Agreement (SAA)的形式授予,以「開發和展示一個商業軌道運輸服務」為目的。[17]合同中NASA向SpaceX訂購了3次演示飛行。[18]合同總額為2.78億美元,為龍飛船獵鷹9號運載火箭和幾次載有龍飛船的獵鷹9號的演示飛行提供了開發資金。2011年,合同中增添了更多的里程碑,使合同總額增加到了3.96億美元美元[19]

2008年NASA簽訂合同,購買了12次CRS英語Commercial Resupply Services任務,成為了獵鷹9號的關鍵客戶,而這12次任務只有在最初的幾次國際空間站COTS演示任務完成並被NASA認定為成功後才能正式進行。[20][21] 這個太空運輸合同總價值16億美元,要求最低以12次任務將補給運至ISS,並從ISS將科研貨物帶回地球。[22]

馬斯克曾多次提到,如果沒有了NASA的資金,開發獵鷹9號會耗時更長。SpaceX關於NASA合同的官方聲明是:

SpaceX是在NASA取得令人難以置信的成就的基礎上實現這一目標,將NASA作為主力客戶進行開發,並在整個開發過程中獲得專家建議和指導。SpaceX特別感謝NASA COTS辦公室在整個過程中給予的持續支持和指導。COTS計劃展示了真正的私人/公共合作夥伴關係的力量,我們期待着我們的團隊將來所做的令人興奮的努力。[20]

2011年,SpaceX估計獵鷹9號1.0版的研發花費約為3億美元。[23] NASA評估得出的結論是,如果採用了傳統的成本保利合同英語Cost-plus contract方式,總花費將為36億美元。[24]

2014年,SpaceX公布了獵鷹9號及龍飛船總共的研發成本。NASA提供了3.96億美元,而SpaceX提供了多於4.50億美元用於火箭和飛船的開發。[25]

開發[編輯]

SpaceX原先計劃用中等運力的獵鷹5號運載火箭來作為輕型的獵鷹1號運載火箭的補充。[26] 2005年,SpaceX宣布他們已經轉向獵鷹9號火箭的研發。獵鷹9號火箭是一種「完全可重複使用的重型運載火箭」,並已經獲得了一份政府客戶訂單。根據描述,它能將約9,500公斤(21,000磅) 送入低地球軌道,預計每次發射,整流罩長度3.7米(12英尺)的版本定價2700萬美元,整流罩長度5.2米(17英尺)的版本定價3500萬美元。SpaceX還宣布研發獵鷹9號運載火箭的重型版本,LEO運力約為25,000公斤(55,000磅)。[27]獵鷹9號火箭將用於LEOGTO以及貨運或載人 的ISS任務。.[26]

NASA原先的COTS合同要求2008年9月進行首次演示飛行、三次演示任務在2009年9月前全部完成。[28] 2008年2月,首次獵鷹9號/龍飛船COTS演示任務推遲了6個月,推遲到了2009年第一季度末。伊隆·馬斯克表示,開發工作的複雜性以及從卡納維拉爾角發射要滿足的規章要求共同造成了這次推遲。[29]

測試[編輯]

首次多發動機測試(2台發動機連接到第一級並同時點火)在2008年1月首次成功完成。[30]經過多次成功測試,2008年11月,完整的獵鷹9號火箭第一級完成了全任務時長(178秒)的測試點火。[31]2009年10月,首個用於飛行的第一級在SpaceX位於德克薩斯州McGregor的測試架上完成了全發動機測試點火。2009年11月,SpaceX進行了首次二級測試點火,點火時長40秒。測試成功完成,未出現終止或重新開始測試(recycle)的情況。2010年1月2日,二級一次全時長(329秒)入軌點火測試在McGregor測試場成功完成。[32] 完整的火箭在2010年2月初運抵發射場進行集成。雖然他們估計集成與測試需要花費1到3個月,SpaceX仍然計劃於2010年3月22日發射。[33]

2010年2月25日,SpaceX的首個飛行組合體在卡納維拉爾角CCAFS SLC-40起豎。[34] 3月9日,SpaceX進行了一次靜態點火測試。測試中第一級點火,但不會離地。。由於設計用來將高壓氦氣從發射台泵入渦輪泵以轉動渦輪泵準備發射的系統出現故障,測試於T-2秒時中止。後來的調查發現故障因一個閥門沒有收到開啟指令而發生。因為問題出在發射台而非在火箭本身,又因為McGregor測試場閥門的布置不同,所以這個故障沒有在先前的測試中出現。中止時火箭底部出現了一些火和煙,因此有人懷疑有發動機起火。但是,火和煙是系統中液氧與煤油混合物正常燃燒的結果,火箭與發射台都未受損。在中止之前,火箭各系統都正常工作,沒有發現其他需要解決的問題。後續的測試在3月13日成功進行,第一級9台發動機點火了3.5秒。[35]

由於空軍需要對獵鷹9號飛行中止系統(flight termination system,FTS)進行評估,首飛從3月推遲到了6月。首次發射嘗試發生於美國東部時間2010年6月4日周五下午1:30(1730 UTC)。點火後很短時間內發射自動中止,並自動進行了中止後的程序。[36]地面人員得以重新開始(recycle)火箭發射程序。最終在當天下午2:45(1845 UTC),火箭成功發射。[37]

生產[編輯]

2010年12月時,SpaceX的生產線每3個月生產一枚獵鷹9號火箭、一艘龍飛船,並且有計劃使速度翻倍,達到每6周一枚(艘)。[38]截至2013年9月,SpaceX總生產空間增長到了將近1,000,000平方英尺(93,000平方公尺),而且工廠已經為了達到每年40枚芯級的產量而進行了配置。[39]截至2013年11月,工廠每月生產一枚獵鷹9號火箭。公司計劃在2014年中期將產量提高至每年18枚,在2014年末提高到每年24枚,[40][41],在2015年末達到每年40枚芯級。[42]

到2016年2月,這些計劃仍未完成。公司表示芯級產量直到最近才提高到每年18枚,可以同時組裝的芯一級數量從3枚提升到了6枚。預計在2016年末,產量會提升至30枚每年。[43] 但是截至2016年8月,SpaceX已經在向着每年生產40枚努力了,[44]而40枚正是SpaceX在2013年配置工廠時的預計速度。[39]

版本演進[編輯]

獵鷹9號火箭共推出過五個版本:獵鷹9號1.0版,獵鷹9號1.1版,獵鷹9號全推力型(Block 3),獵鷹9號Block 4,獵鷹9號Block 5。

獵鷹9號1.0版[編輯]

獵鷹9號1.0版為獵鷹9號的第一個版本,於2010年6月4日首次發射,火箭高度54.9米,直徑3.66米,最大重量333.4噸,採用兩級設計,第一級搭載9台Merlin 1C引擎,呈九宮格布局,第二級搭載1台Merlin 1C真空版引擎,兩級火箭均採用液態氧煤油作為燃料,近地軌道運載能力為10,450千克,地球同步軌道運載能力為4,540千克。該版本火箭第一級不可回收。

獵鷹9號1.0版共進行5次發射,其中四次完全成功,一次部分成功。2013年3月1日的CRS-2任務後該版火箭退役不再使用。

從左至右分別為獵鷹1號火箭獵鷹9號火箭1.0版獵鷹9號火箭1.1版的三個版本、獵鷹9號運載火箭全推力版的三個版本、獵鷹9號Block 5的三個版本以及獵鷹重型火箭的兩個版本。

獵鷹9號1.1版[編輯]

獵鷹9號1.1版為獵鷹9號的第二個版本,與2013年9月29日首次發射,火箭高度增加到68.4米,最大重量增加到541.3噸,近地軌道最大運載能力提高到13,150千克,和1.0版相比,1.1版一個重要的不同在於第一級的9台Merlin引擎改為被稱為「Octaweb」的圓形布局,引擎型號也升級為Merlin 1D。頂部荷載可選擇長13.1米,直徑5.2米的整流罩,也可以選擇搭載天龍號貨運飛船。第一級可以視任務情況安裝返回大氣層着陸使用的柵格翼和着陸腿,但是該版本的所有回收實驗全部失敗。

獵鷹9號1.1版共進行了15次發射,最短的兩次發射間隔僅13天,除了2015年6月28日CRS-7任務失敗之外,其他主線任務全部成功。該版本在獵鷹9號第21次發射任務(JASON-3)後退役不再使用。

獵鷹9號全推力版(Block 3)[編輯]

獵鷹9號全推力版是獵鷹9號的第三個型號。[45][46],火箭針對CRS-7任務失敗中暴露出的問題進行了全面的改良,高度增加到70米,並對液氧煤油燃料進行冷凝處理以提高燃料搭載。全推力版的近地軌道運載能力提高到22,800千克,地球轉移軌道的運載能力提高到8,300千克,並增加了對載人龍飛船的適配。回收用的着陸腿和柵格翼成為標準配置,第一級火箭完全可回收。

2015年12月21日,獵鷹9號全推力版火箭進行首次發射,其第一級助推器在為Orbcomm發送11顆衛星後在卡納維拉爾角空軍基地第一着陸場成功着陸。這也是人類歷史上第一次實現太空軌道火箭第一級的可控的陸地軟着陸回收。[47]

2016年4月8日,獵鷹9號火箭進行第22次,也是全推力版的第3次發射,在為國際空間站進行充氣式太空艙試驗及貨物運輸補給的任務後,第一級火箭(編號B1021.1)進行第五次海上着陸嘗試,第一級火箭在大西洋上的駁船上成功降落,海上回收試驗成功。[48][49][50]

2017年3月30日,執行CRS-8任務的獵鷹9號火箭第一級助推器(編號B1021.2)在SES-10任務中再次發射,首次實現一級火箭的重複使用,並再次成功回收。同時還首次嘗試回收了火箭的整流罩。

目前獵鷹9號全推力版已經進行了18次發射,除了AMOS-6任務在發射前意外爆炸,所有發射均獲成功,並實現了13次成功着陸(陸地5次,海上8次)。其中,BulgariaSat-1和Iridium NEXT 11–20兩次任務之間發射間隔僅有49小時15分鐘,是目前為止歷史上同款火箭發射時間間隔最短的記錄。

獵鷹9號Block 4[編輯]

獵鷹9號Block 4為獵鷹9號全推力版和獵鷹9號Block 5之間的過渡版本,採用了可多次使用的鈦合金的柵格舵取代了鋁合金的版本。

獵鷹9號FT Block 5[編輯]

獵鷹9號Block 5為獵鷹9號的最新型號,具有多次重複使用能力,在不檢修翻新的情況下能夠執行10次任務,而翻修後更能執行達百次的任務。Block 5也採用了全新設計的上面級,取代了之前造成CRS-7事故和AMOS-6事故的上面級,提高了整體的安全性能。 獵鷹9號Block 5也是載人龍飛船所使用的運載火箭。

火箭特性[編輯]

回收和重複使用[編輯]

2017年3月30日,SpaceX發射了此前回收的一級火箭,實現了首次一級火箭重複利用

和現役的其他火箭有本質區別的是,獵鷹9號是目前全球第一款也是唯一一款實現第一級回收並重複使用的現役太空軌道運載火箭。

獵鷹9號在執行陸地回收程序時,第一級火箭在和第二級火箭分離後會利用氦氣調整器調整姿態向後翻轉,點燃九台引擎中的一台進行「回推推進(Boostback Burn)」,第一級頂部的四個柵格翼會展開調整姿態。進入大氣層時會第二次點燃三台引擎進行「再入推進(Entry Burn)」。接近地面時,然後第三次點燃一台引擎進行「着陸推進(Landing Burn)「,打開着陸腿,利用略低於火箭重量的推力反向噴射實施軟着陸。而執行海上回收程序時,第一級火箭不會執行回推推進(Boostback Burn)」而是直接進行再入推進。[51]

獵鷹9號1.1版曾在四次發射後進行海上返回實驗,前兩次因火箭降落速度過快或姿態控制不當導致回收失敗並墜毀[52],第三次回收則因CRS-7任務火箭第一級爆炸而沒有實施。其後SpaceX獲得美國聯邦航空局批准選擇改為在卡納維拉爾角空軍基地新建的「第一着陸場(Landing Zone 1)」(原13號發射複合體)進行陸地回收實測。

2015年12月21日,獵鷹9號火箭進行第20次發射,在為Orbcomm發送11顆衛星後,第一級火箭在卡納維拉爾角空軍基地第一着陸場成功着陸,陸上回收試驗成功。[47]

2016年4月8日,獵鷹9號火箭進行第22次發射,在為國際空間站進行充氣式太空艙試驗及貨物運輸補給的任務後,第一級火箭(編號B1021.1)進行第五次海上着陸嘗試,第一級火箭在大西洋上的駁船上成功降落,海上回收試驗成功。[53][54][55]

2017年3月30日,執行CRS-8任務的這枚獵鷹9號火箭第一級(編號B1021.2)再次發射,首次實現一級火箭的重複利用,並又一次成功回收。同時還首次嘗試回收了火箭的整流罩。

首次回收的獵鷹9號一級火箭降落於駁船「我當然還愛你」號(Of Course I Still Love You

發射場與着陸設施[編輯]

獵鷹9號目前使用或計劃使用以下幾個發射場:

1、卡納維拉爾角空軍基地40號航天發射複合體(CCAFS LC-40)

2、范登堡空軍基地4號發射複合體E (VAFB SLC-4E)

3、肯尼迪航天中心39號發射複合體A(KSC LC-39A)

獵鷹9號目前或計劃使用以下的着陸和回收設施:

1、卡納維拉爾角空軍基地1號,2號着陸場(CCAFS LZ-1 and LZ-2)(前卡納維拉爾角空軍基地13號發射複合體

2、無人航天着陸船(Autonomous spaceport drone ship)兩艘,「Of Course I Still Love You」(當然我還愛你)號和「Just Read the Instructions」(請閱讀說明書)號。

3、范登堡空軍基地4號着陸場 (VAFB LZ-4)(前范登堡空軍基地4號發射複合體W(VAFB SLC-4W))

4、整流罩回收船「Mr Stevens」

發射任務[編輯]

獵鷹9號系列運載火箭在9年裡共發射了43次,其中41次任務完全成功(成功率95.3%),1次部分成功(成功將主載荷送入軌道,但一個次級載荷進入了低於預期的軌道), 1次失敗(全部損失)。另外,一枚火箭及其載荷於發射前在發射台上為靜態點火測試作準備時因爆炸被摧毀。23次火箭回收嘗試中有18次成功(成功率78.3%)。

火箭第一版獵鷹9號1.0版在2010年6月到2013年3月間發射了5次。它的後繼者獵鷹9號1.1版在2013年9月到2016年1月間發射了15次。最新升級的獵鷹9號全推力版從2015年12月至今共發射23次。


火箭配置[編輯]

5
10
15
20

發射地點[編輯]

5
10
15
20
2010
'11
'12
'13
'14
2015
'16
'17
'18

發射結果[編輯]

5
10
15
20
2010
'11
'12
'13
'14
2015
'16
'17
'18
  •   發射前失敗
  •   發射中失敗
  •   部分成功
  •   成功

一級火箭着陸[編輯]

5
10
15
20
2010
'11
'12
'13
'14
2015
'16
'17
'18
  •   地面回收失敗
  •   海上駁船回收失敗
  •   海面降落失敗
  •   降落傘回收失敗
  •   陸地回收成功
  •   海上駁船回收成功
  •   海面降落成功
  •   未嘗試


標誌性的發射[編輯]

SpaceX使用獵鷹9號發射COTS演示飛行1
2015年12月21日,第20次發射,獵鷹9號於CCAFS LZ-1歷史性的着陸
  • 第1次,龍飛船認證單元,首飛成功。
  • 第2次,COTS演示飛行1龍飛船首次功能性測試。[56]
  • 第3次,Dragon C2+, 首次將貨物運送至國際空間站
  • 第6次,CASSIOPE,獵鷹9號1.1版首次發射。自范登堡空軍基地的首次發射。首個極軌道發射。首個科學載荷。首次第一級回收嘗試。
  • 第7次,SES-8, 首次GTO發射,首個商業載荷。(通訊衛星)
  • 第9次,CRS-3,加入着陸腿,首次海面軟着陸嘗試(零高度,零速度)。
  • 第14次,CRS-5, 加入格柵翼,首次ASDS着陸嘗試,硬着陸(RUD)。
  • 第15次,DSCOVR, 首次超過逃逸速度的發射。以地日L1點為目標。
  • 第16次,ABS-3AEutelsat 115 West B,首次一箭雙星發射,衛星為創新的波音702SP全電星。
  • 第19次,CRS-7, 因二級結構失效、COPV損壞,氦氣大量泄漏導致二級氧箱超壓爆炸,任務全部失敗。
  • 第20次,Orbcomm OG-2,事故調查、問題改正後首次飛行。獵鷹9號全推力版首飛。一箭11星,使用特製適配器,星座組網星。首次成功着陸回收(卡納維爾角陸上降落場1號)。
  • 第23次,CRS-8, 首次成功着船回收(我依然愛你號上的海上降落平台)。
  • 第24次,JCSAT-14, GTO發射,高能量大氣再入、下降、着陸。
  • Amos-6,靜態點火測試前準備時發生爆炸,星箭俱毀。(本應為第29次)
  • 第30次,CRS-10, 改造後的KSC LC-39A的首次發射。
  • 第32次,SES-10, 成功回收的軌道級火箭(CRS-8任務)的首次重複發射、再次着陸,同時進行了[57]首次整流罩回收。[58]
  • 第33次,NROL-76, 首個機密載荷。[59]

參數[編輯]

版本 獵鷹9 v1.0 (已退役) 獵鷹9 v1.1 (已退役) 獵鷹9 FT Block 1-4(已退役)[7] 獵鷹9FT Block 5 (運作中)
第一級 9 × 默林1C 9 × 默林1D 9 × 默林1D改進型[60]
第二級 1 × 默林1C真空級 1 × 默林1D真空級 1 × 默林1D真空級FT(改進型)
最大高度(米) 53 68.4 70
直徑(米) 3.66
初始推力(kN) 3,807 5,885 6,804 7,600
起飛質量(噸) 318 506 549
整流罩直徑(米) 不適用[b] 5.2
LEO載荷(kg) 8,500–9,000(在卡納維拉爾角發射) 13,150 (在卡納維拉爾角發射) 22,800 >22,800(單次使用)

>18,500(可重用)

GTO載荷(kg) 3,400 4,850 8,300(單次使用)

~5300(可回收使用)

>8,300(單次使用)

>5,800(可重用)

成功次數/發射次數比 5/5 14/15[61] 36/37[c] 13/13

參見[編輯]

外部連結[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Capabilities & Services. SpaceX. [28 September 2013]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Falcon 9 (2015). SpaceX. [3 December 2015]. (原始內容存檔於December 9, 2015). 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Falcon 9 (2013). SpaceX. [4 December 2013]. (原始內容存檔於November 29, 2013). 
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備註[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 一枚火箭及其載荷在為發射前的靜態點火測試作準備時被摧毀[5],因此不計為失敗。
  2. ^ 獵鷹9 v1.0隻用來發射過龍飛船,未使用過整流罩。
  3. ^ 火箭及酬載於試射時發生爆炸被摧毀[62]