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直达静止轨道的猎鹰火箭上面级

5月1日,太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰九号火箭执行国家侦察局的NROL-76任务,发射了一颗近地轨道军用卫星,火箭第一级回收成功,不过更引人注目的是火箭第二级进行了长达3.5小时的滑行后再次点火成功。猎鹰火箭第二级的滑行和点火试验,为上面级具备直送静止轨道的能力铺平了道路,假以时日联合发射联盟的运载火箭将面对更激烈的竞争。

NROL-76任务徽章,该次任务是太空探索技术公司首次进军军用发射市场

直送静止轨道的关键  长时间滑行和再次点火能力

猎鹰九号火箭进行第二级滑行和再点火试验,目标是突破和掌握长时间滑行后点火的技术,实现将卫星直接送入静止轨道等高轨道的能力,成为直达静止轨道的太空摆渡车。一般地说,运载火箭将卫星送入近地轨道、极地轨道或是同步转移轨道,而直接送入静止轨道的发射很少,这主要是因为直送静止轨道的难度高,不仅需要火箭为卫星提供更高的速度,还需要进行长时间的滑行,等到火箭与卫星的组合体飞到同步轨道高度的远地点后再点火提升近地点和削去轨道倾角,最后进入赤道上空的静止轨道。直送静止轨道主要的难点,就在于长时间滑行以及其后可靠的点火工作,为此需要研制先进的上面级。


说起上面级我们并不陌生,我国长征七号和长征五号火箭首次发射时分别使用了远征一号甲和远征二号上面级,它们都是专用的太空摆渡车,使用常规的常温自燃推进剂,具备多次点火启动和长时间滑行飞行的能力,俄罗斯的弗雷盖/Fregat和微风/Breeze上面级同样使用这样的设计,和联盟以及质子火箭相结合,多次点火后具备将卫星直接送入高轨道以及静止轨道的能力。质子火箭使用微风M上面级可以将最大质量3.7吨的卫星直接送入静止轨道,我国的长征五号火箭结合远征二号上面级,直送静止轨道的运载能力为约5.1吨。

我国远征一号上面级可以进行两次点火,使用常规推进剂

俄罗斯的微风上面级可以进行多次点火,将卫星直接送入静止轨道

常温自燃推进剂具有存储方便和点火可靠的特点,但这种组合的比冲较低,尤其是远低于液氧液氢推进剂组合。美国也有将卫星直接送入高轨道和静止轨道的需求,但美国航天界艺高人胆大,走的是另一条路线,也就是长时间滑行加多次点火的低温上面级

美国最著名的低温上面级当属半人马座系列,它被形象的称为“太空千里马”,这种20世纪60年代研制成功的先进上面级使用不锈钢壳体的共底储箱减轻自身质量,使用高比冲的RL-10系列氢氧发动机。更有意思的是不锈钢导热率比传统的铝合金低得多,不论是储箱共底部分还是外壳部分导热都更慢,降低了温度控制的难度。

美国研制了技术更先进的半人马座氢氧上面级,三次点火将卫星送入静止轨道

半人马座上面级在电源、姿控和推进剂管理等多方面精心设计,具备6.5小时左右的长时间滑行能力,而膨胀循环的RL-10氢氧发动机又具备多次启动能力,它具有长时间滑行后点火启动,将卫星直接送入静止轨道的能力。从理论上说,半人马座这样的上面级三次点火即可将卫星送入静止轨道,目前Atlas V火箭的直送静止轨道正是这样实现的,而对长征五号火箭来说,是由二级火箭将远征二号上面级和卫星的组合体先送入同步转移轨道,随后远征二号上面级再在远地点点火变轨,实际上相当于长征五号火箭的第二级和远征二号上面级组合起来实现半人马座三次点火的过程。

总而言之,对于一种运载火箭来说,要实现将卫星直接送入静止轨道的能力,长时间滑行以及滑行之后的再次点火能力是必须的。太空探索技术公司是目前最成功的新型商业航天公司,它的猎鹰九号火箭颇具传奇色彩,已经挑战了阿里安宇航公司和联合发射联盟在商业和军用发射市场的地位,但要和联合发射联盟进行全面竞争,猎鹰火箭还需要具备直送静止轨道的能力,以发射美国空军和国家侦察局特殊需要的军用卫星。

在快速迭代中蜕变  猎鹰九号火箭掌握直送静止轨道技术可期

猎鹰九号火箭其实先天不足,研制阶段只能使用推力不大的梅林一号液氧煤油发动机,为此第一级不得不使用9发并联的设计,为火箭提供足够的推力。然而就是这种出身不佳的猎鹰九号火箭,经过迭代式的不断改进后,早已有了脱胎换骨的提高。首先是梅林一号C发动机的推重比和推力有了很大提高,到梅林一号D发动机更是成为有史以来推重比最高的液体火箭发动机,推力达到了845千牛(86.2吨),相比当年梅林一号A不过340千牛(34.7吨)的地面推力,居然提高了两倍半之多。猎鹰九号火箭使用比冲较低的梅林系列液氧煤油发动机,但通过提高箭体干质比达到了较高的性能,无论是早期猎鹰九号V1.0还是现在的猎鹰九号Block 4,第一级和第二级的箭体干质比都相当出色。

猎鹰九号火箭以二级液氧煤油发动机就可以发射同步转移轨道卫星,超高的干质比是根本原因。对比之下其他国家结构和设备重量大,只能使用液氧液氢发动机或是三级火箭,印度更是作出了四级的PSLV火箭发射同步转移轨道卫星。

太空探索技术公司还在继续改进猎鹰九号火箭,据称现在猎鹰九号火箭第二级干质比超过20,而根据齐奥尔科夫斯基公式,干质比提高对于性能提高同样是立竿见影的。凭借第一级超过25、第二级超过20的干质比,以及新的梅林1D+真空版发动机的优异性能,猎鹰九号火箭的同步转移轨道运载能力可达8.3吨,运载效率直追使用氢氧发动机的运载火箭

猎鹰九号火箭第二级超高的干质比,意味着它使用比冲一般的液氧煤油发动机也可以提供很高的速度增量,还为它具备直送静止轨道能力奠定了基础,接下来要做的,其实就是长时间滑行和远地点点火了,而这正是猎鹰九号火箭不断试验的内容。通俗地说,猎鹰九号火箭试图“山寨”半人马座上面级的成功,通过火箭第二级的三次点火和长时间滑行,实现直接将载荷送入静止轨道的能力。

猎鹰九号火箭,目前来说,无论发动机还是箭体都属于一流水平

猎鹰九号火箭二级的干质比不断提高,可以提供将卫星直送静止轨道的速度

NROL-76任务中猎鹰火箭第二级实现了3.5小时滑行,距离实际需求的6个多小时已经不远,随着后续试验的继续进行,我们将看到猎鹰九号火箭实现同步转移轨道远地点的点火升轨。重型猎鹰即将首飞,今后重型猎鹰火箭的强大基本运力结合直送静止轨道能力的第二级,将具备和联合发射联盟的重型“德尔塔4”火箭竞争的能力。