“重型猎鹰”运载火箭(美国私立太空公司建造的火箭)

“重型猎鹰”（英文名：Falcon Heavy，简称FH）是SpaceX研发和制造的一款可重复使用的重型运载火箭，是当前世界现役最大推力的运载火箭。“重型猎鹰”运载火箭全长70米，最大直径12.2米，起飞质量1420.788吨，每次重复使用第一级火箭的发射价格为9000万美元，一次性使用第一级火箭的发射价格为1.5亿美元，研发成本5亿多美元。

“重型猎鹰”运载火箭是在已大量成功发射的猎鹰9号火箭基础上，在芯一级捆绑了两枚大型助推器，而这两枚大型助推器其实就是与芯一级一模一样的火箭，即“重型猎鹰”运载火箭的第一级是由3枚相同的火箭并联而成的，每枚上面装有9台发动机，发射时共有27台发动机同时点火。所以，“重型猎鹰”运载火箭既力大无比，又经济实惠。

“重型猎鹰”运载火箭大量使用轻质、高强度的铝锂合金材料和先进结构设计技术，配备具有大推质比、大范围节流能力的发动机，并采用推进剂过冷加注和交叉输送技术（在首飞中暂时取消了交叉输送），这一切措施使得火箭具有极高的运载效率，其近地轨道运载效率达到惊人的4.5%。已超越目前的所有现役火箭，是德尔它重型火箭28.8吨运载能力的2.2倍。

“重型猎鹰”运载火箭的可靠性非常高，其设计留有40%的结构冗余，而普通运载火箭仅有25%。火箭第一级采用27台发动机的设计结构，具备在单台或多台发动机出现故障时，仍何顺利完成发射任务的独特能力。此外，火箭还装备了三重冗余的航天电子设备和双重启动的级间分离螺栓。这些设计使得“重型猎鹰”运载火箭成为一种极为安全可靠的运载火箭，同时也完全符合美国航空航天局的载人航天标准。

发展沿革

研发背景

随着航天技术的不断发展和成熟，全球发射市场对低成本商业运载工具的需求越来越迫切。

在冷战时期美国和苏联曾分别研制出“土星”5号和“能源”号两种重型火箭。现在由于美国、俄罗斯都把载人航天的未来目标都瞄准了月球、小行星和火星。所以，这两个航天强国在沉寂40年后，又都再次启动了重型运载火箭的研制工作。

坚持军、民、商航天活动协调发展，一直都是美国航天政策的基本指导原则。2010年6月28日，美国政府发布的最新《美国国家航天政策》指出，要促进航天商业化新领域的拓展与航天业竞争力的提升，强调强大而有竞争力的商业航天对美国航天事业的持续进步至关重要。新政策通过指导政府机构来鼓励商业航天的发展，扩大私企的参与范围，允许商业公司在太空探索中承担更多的任务。在此背景下，SpaceX启动了“重型猎鹰”运载火箭的研制项目。

Space X致力于发展可重复使用的火箭技术，以降低航天任务的成本。“重型猎鹰”运载火箭继承了猎鹰9号的可重复使用设计，其主要部件包括首级、次级和推进器都可以在发射后返回地面进行维护和再利用。“重型猎鹰”运载火箭采用了多个猎鹰9号火箭的第一级核心级（首级），这些核心级都搭载了猎鹰9号火箭所使用的梅林发动机，从而提供了强大的推进力。

研制历程

2011年4月5日，美国私营航天公司——SpaceX（SpaceX）首席执行官埃伦·马斯科（Elon Musk）宣布正在研制一种自人类登月以来最强大的火箭，即“重型猎鹰”运载火箭（Falcon Heavy），并公布了火箭的相关设计细节和性能。

2012年，SpaceX公司公布了“重型猎鹰”运载火箭的初步设计，并开始进行火箭发动机的研发和测试。

2014年，首枚“重型猎鹰”运载火箭的首级核心段完成装配，并进行了地面测试和模拟飞行。

2015年，首次“重型猎鹰”运载火箭的发射计划推迟，因为SpaceX公司的研发重点转向了猎鹰-9火箭和龙飞船的改进和可重复使用技术。

美国东部时间2018年1月24日中午约12时30分（北京时间2018年1月25日凌晨1时30分），“重型猎鹰”运载火箭在位于佛罗里达州的美国航天局肯尼迪航天中心39A发射台上点燃了27个引擎，向地面喷出白烟，时间持续约10秒。

首次发射

北京时间2018年2月7日4:45，美国太空探索技术公司（Space X）在位于卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射了首枚“重型猎鹰”运载火箭，这是目前世界上运载能力最大的运载火箭，任务中成功陆地回收了两枚助推器，但芯级海上回收失败。该任务引起了国内外的广泛关注。

此次发射的首枚“重型猎鹰”运载火箭，将一辆改装过的红色特斯拉电动跑车发射升空，任务中火箭运行情况良好，按照预定目标完成了火箭的一级点火、升空、助推器分离、芯级与二子级分离、二子级点火等动作，虽然最终火箭未将携带的有效载荷部署到目标的地火转移轨道，而是将其送入一条地球逃逸轨道，但本次任务仍然实现了大部分验证目标。

首飞任务中对芯级、两枚助推器进行了回收，其中两枚助推器完成工作后与芯级分离，随后掉头飞回位于卡纳维拉尔角的着陆平台，并呈编队方式几乎同时着陆。芯级在与二子级分离后，瞄准部署在大西洋上名为“当然我依然爱你”的海上平台进行回收。芯级在返回过程中，原计划应该有3台发动机重启，但实际仅有1台点火成功，芯级最后以480km/h的速度坠落在海面上，落点距离海上回收平台大约100m，未能实现回收。

首飞“重型猎鹰”运载火箭捆绑的两枚助推器为此前SpaceX回收的猎鹰-9火箭一子级，分别是2016年5月27日泰国通信卫星8（Thaicom-8）发射任务中通过海上回收的B1023.2，以及2016年7月18日龙-CRS-9（Dragon-CRS-9）国际空间站任务中通过陆地回收的B1025.2。为了实现与芯级的连接，两枚助推器分别加装了鼻锥和前、后安装点，同时芯级为了承受额外的应力做了重新设计，增加了结构强度。但未使用此前宣称的交叉输送技术。

技术特点

总体设计

“重型猎鹰”运载火箭采用二级结构，第一级是由3枚相同的火箭并联而成的，每枚上面装有9台发动机，发射时共有27台发动机同时点火。“重型猎鹰”运载火箭的高度为70米（229.6英尺），直径为3.66米（12英尺）。它的总起飞重量约为1420吨（3.1百万磅），是目前世界上最重的运载火箭之一。

“重型猎鹰”运载火箭使用液体推进剂作为燃料。一级发动机和二级发动机使用液体燃料——液态氧（LOX）和煤油（RP-1）的组合。

火箭顶部头锥体和箭体散逸层全部采用超强度铝锂合金材料，后盖上面盖了特制的挡热板，以保护火箭的第1、2级在重返地球大气层时免遭烧坏损毁，从而便于回收利用。火箭重复使用技术能把火箭的发射费用降低一个数量级。该火箭的设计留有40%的结构冗余，而普通火箭仅有25%，所以“重型猎鹰”的可靠性非常高。它装备了三重冗余的航天电子设备和双重启动的级间分离螺栓。

箭体结构

一子级

“重型猎鹰”运载火箭的一子级由3个改进型猎鹰9一子级捆绑组成，即采用芯级加2枚捆绑助推器的构型。芯级和每枚助推器都使用9台改进型1D发动机。

“重型猎鹰”运载火箭第一级含3枚“猎鹰9”火箭芯，共有27个引擎，发射时能产生约227万千克的推力，是自20世纪60年代“土星5号”（推力约为340万千克）登月火箭以来运载能力最强的火箭。

二子级

“重型猎鹰”运载火箭二子级高度是8.1m，直径是3.7m。采用1台隼1D真空发动机，基本状态与隼1D发动机类似，但为了适应真空飞行工况，采用面积比达到117：1的大喷管。这使得该发动机比冲高达348s，工作时长为397s，推力也提高到了934kN，推进剂使用的是液态氧/煤油。此发动机具备多次点火的能力，将多个有效载荷送入不同的轨道，大大增强了其对于任务的适应能力。

整流罩

“重型猎鹰”运载火箭的整流罩与猎鹰9火箭整流罩一致。采用两瓣式构型，使用蜂窝铝芯材料和碳纤维面板制造。整流罩高13.1m，直径5.2m，重约2.5t。纵向连接采用机械锁机构锁紧，接收到分离指令后，高压氦气驱动机械锁，解除纵向连接，高压氦气继续驱动推冲器(4个)直至将两瓣整流罩推开。

推进系统

“重型猎鹰”运载火箭的一子级由3个改进型猎鹰-9一子级捆绑组成，即采用芯级加2枚捆绑助推器的构型。芯级和每枚助推器都使用9台隼-1D发动机。

隼-1D发动机是在隼-1C基础上研制的，为执行未来载人任务采用结构和热防护安全设计。应用于猎鹰-9火箭一子级和“重型猎鹰”运载火箭的芯级及助推级。隼-1D发动机使用了先进的制造技术和材料，具备好的耐久性和很高的余量，允许其在更高的推力、压力、温度条件下运行。改进之后，用于一子级的隼1D发动机最大海平面推力达到756kN，真空推力达到825kN，比隼发动机初始型提升16%。

“重型猎鹰”运载火箭二子级采用1台隼-1D真空发动机，基本状态与隼-1D发动机类似，但为了适应真空飞行工况，采用面积比达到117:1的大喷管。这使得该发动机比冲高达348s，推力也提高到了934kN。此发动机具备多次点火的能力，大大增强了其对于任务的适应能力。

“重型猎鹰”运载火箭是第一种全面使用“2195铝锂合金”液态氧/煤油发动机的火箭，质量降到惊人程度，助推器质比（加满推进剂质量/耗尽推进剂质量）超过30，而现有德尔它4（Delta-4）运载火箭的质量比仅为10左右。所以，火箭虽然全部使用低比冲液氧/煤油发动机，但运载系数却高于全部使用高比冲液氢液氧发动机的德尔它4重型运载火箭。

根据SpaceX的介绍，“重型猎鹰”运载火箭是第一种使用 “交叉输送’技术的运载火箭，它可以在火箭助推器和芯级之间实现推进剂的对流，可保证助推器分离时，芯级仍有最多的推进剂，使其达到三级火箭的性能。虽然通过发动机推力调节也可以实现火箭芯级保留更多推进剂，但效果上远不如使用交叉输送技术将助推器剩余推进剂输送给芯级的效果。此外，在发射较轻的载荷时，可以关闭交叉输送技术，这样虽然火箭的输送能力有所下降，但减少了复杂性，降低了事故概率。据SpaceX介绍，如不使用“交叉输送"技术，火箭低地球轨道输送能力约为45t，仍可满足目前的各种运载需求。

制导系统

重型猎鹰采用惯性导航系统（INS）来测量和跟踪火箭的加速度、速度和位置信息。INS通过使用陀螺仪和加速度计等传感器来检测和计算运动参数，并将这些数据用于导航和控制。

重型猎鹰还使用全球定位系统（GPS）来获取地球上的位置和速度信息。GPS接收器能够接收来自卫星的信号，并计算出火箭的准确位置和速度，从而提供更精确的导航和定位。

控制系统

重型猎鹰通过舵面控制系统来调整火箭的姿态和轨迹。舵面包括偏舵、升舵和方向舵等，它们通过液压或电动机构来改变火箭的姿态和方向。舵面控制系统根据惯性导航系统和GPS提供的数据，计算出所需的舵面运动，以保持火箭在预定的轨迹上。

重型猎鹰的发动机配备了推力矢量控制系统，可以调整发动机喷口的方向来改变火箭的姿态。通过控制发动机推力矢量的方向，火箭可以实现旋转、倾斜和稳定等动作，以满足导航和控制的要求。

关键技术

“重型猎鹰”运载火箭具有非常高的运载系数，使用了大量先进的航天材料和技术，如2195铝锂合金、液态氧/煤油发动机、交叉输送（Cross-Feeding）技术、结构冗余设计和火箭复用技术等。

火箭复用

火箭复用技术（重复使用）可将发射费用降低1个数量级，是控制发射费用的有效手段。SpaceX在研制“重型猎鹰”运载火箭时已经使用了该项技术，如火箭后盖加盖了特制挡热板，可以保护“重型猎鹰”运载火箭重返大气层时免遭烧坏损毁，以便回收利用。

全箭冷分离

鉴于火箭回收的需要，猎鹰系列火箭摒弃了机构低成本、结构简单、工作可靠的火工分离技术，而采用全箭无损的冷分离技术，包括冷氮喷射和机械式推杆等，主要应用于火箭的整流罩分离、级间分离以及着陆腿的展开过程中。目前猎鹰系列火箭已经执行超过60次发射，从未出现因分离机构失效而导致的事故，因此其事实可靠性达100%。并且通过首飞验证了助推器侧向分离，对于未来运载火箭分离结构的设计有着相当的借鉴意义。

高安全性设计

“重型猎鹰”运载火箭继承了猎鹰-9火箭的冗余设计，能够在多台发动机发生故障的情况下继续工作并完成发射任务，结构安全余量设计达40%，而其他不载人火箭的安全余量为25%。除满足货物运输的发射需求外，也能够满足载人航天飞行的要求。

该设计在猎鹰9火箭上得以验证。2012年10月7日，猎鹰-9火箭在执行国际空间站任务中，火箭飞行约79s后，一子级1台发动机突然失压，发动机关机。随后，为保护一子级发动机和其他发动机，发动机舱开始释放压力，故障发动机未发生爆炸，并能持续收到其数据，其他8台发动机工作正常。在这种情况下依然成功完成了主要任务，证明火箭的冗余设计的有效性。

自主飞行安全系统设计

为了实现“重型猎鹰”运载火箭的回收任务，采用了新研发的“自主飞行安全系统”（AFSS）。在“重型猎鹰”运载火箭箭发射任务中，芯级和2枚助推器都会垂直受控返回地面，实现重复使用，即“重型猎鹰”运载火箭后，将有3枚火箭子级同时返回。但是受设备限制，负责卡纳维拉尔角发射测控跟踪任务的美国空军第45航天联队只能同时跟踪⒉个飞行目标。而采用“自主飞行安全系统”则不会受到跟踪目标数量的限制，依靠箭上的GPS来判断火箭是否偏离了预定的安全飞行路线，如果出现了偏离情况且火箭必须要进行自毁，该系统就会自行下达自毁指令。

这种自主化的跟踪技术不仅可以大幅降低发射成本，而且还可以缩短发射时间。该系统只需要82名工作人员，且可以简化大部分地面设施。在显著降低发射成本的同时，有效缩短了空军用来准备发射的时间。和传统跟踪系统相比，“自主飞行安全系统”还能够扩展跟踪的飞行范围。该系统下达指令的速度更快，相比人工操作，自主化操作方式能够提前数秒完成火箭的自毁。如果应用到载人火箭上，该系统的运作方式大致相同，但在火箭自毁之前，将为乘员逃离留出时间。

性能数据

发射记录

发射意义

促进重型火箭研制理念持续革新和发展

在研制重型猎鹰过程中，Space X公司并不过度追求技术上的先进，也不受限于传统的研制思路，而是基于商业运营考虑和自身技术基础，采用了多发并联、重复使用、大长细比的设计理念，创新性地达到火箭性能和成本的要求。这虽然也是Space X公司基于自身技术基础的一种无奈之举，但其不为传统思维所限、敢于突破常规的创新精神和勇气却恰恰是火箭得以成功研制和飞行的重要基础。在航天发展历程中，基于当前的材料、工艺、设备和理论基础所形成的研制经验、方法和理念，并不是一成不变的，而是会随着技术的发展持续更新。

加快深空探测及载人探测步伐

2017年9月29日，Space X公司对外发布了改进的“星际运输系统”（ITS）。为减少经费，ITS助推级（BFR）直径缩至9.14米，采用31台猛禽发动机，整个系统具备150吨的LEO运载能力。埃隆·马斯克表示，鉴于BFR研制工作所取得的进展，重型猎鹰将来很可能不会用来发射载人飞船，公司未来的研制重点将放在执行火星殖民计划的BFR上。

明显可以看出，重型猎鹰的研制其实也是为BFR重型火箭进行技术储备，两者在技术上具有太多共同点，包括多台发动机并联、垂直回收和重复使用等。重型猎鹰首飞成功后，Space X将加快对BFR的研制步伐，以支撑其深空探测和载人深空任务。

加剧火箭发射市场竞争态势

美国航空航天局在航天飞机退役后将重心转向深空探测，近地轨道业务主要由私营航天企业承担。猎鹰重型火箭的首飞成功，标志着私营企业的发射能力已经从近地轨道、中小型载荷拓展到了火星轨道、大型载荷。同时，美国蓝源公司也在研发近地轨道运载能力达45吨的新格伦火箭，大力抢占商业卫星、载人航天和深空探测发射服务市场。提供全方位的发射服务未来将不再是国家主导的航天产业的“专利"。

与传统航天企业相比，私营航天公瞑有更强的市场意识和灵活的应变机制，能够结合市场需求和有限的技术能力制定实施发展战略，冲击国际发射市场。根据2017年世界发射记录，Space X公司凭借低廉的发射价格、可靠的性能独家发射18次，涵盖空间站货运、通信卫星乃至国家安全等多个领域，与联合发射联盟、阿里安等传统厂商形成竞争。在猎鹰重型首飞成功后，Space X公司的业务进一步拓展，可以承担深空探测飞行器、大型载荷乃至美国空军和国家侦察办公室有效载荷的发射，将对火箭发射市场带来重要影响。

发展前景

“重型猎鹰”运载火箭未来主要的应用市场是发射大型国家安全载荷（可将载荷直接送入地球同步轨道）、载人登月飞船和行星资源开发及大型科学载荷等。

未来，该火箭将目标瞄准大型载荷、多任务飞行和执行深空探索任务等，并参与竞争美国国家安全载荷发射任务，凭借低成本优势，为美国政府提供重要发展机遇，帮助其实现经济可负担的和可持续的空间探索发展目标，推动运载器技术领域的良性竞争，并对未来商业发射市场态势产生重大影响。随着火箭工程技术的不断进步，“重型猎鹰”运载火箭的运载能力有望得到进一步提升。通过优化火箭结构、提升发动机性能、改进燃料效率等手段，可以使猎鹰重型能够承载更大质量的有效载荷，满足未来更多复杂任务的需求。