SpaceX的猎鹰9号火箭详细分析
本文作者：邢强博士
2015年12月，猎鹰9号火箭进行了她的第20次发射。当火箭把轨道通信公司（ORBCOMM）的11颗卫星推向太空后，猎鹰9号火箭的第一级在卡纳维拉尔角空军基地成功着陆，终于实现了SpaceX公司渴望已久的可回收火箭的初步验证。
猎鹰9-1.1全推力型火箭全长70米，直径3.66米，起飞推力6806千牛，起飞重量541吨。
猎鹰9号火箭的设计思路很明确：大量通用器件的应用缩短了研发周期和运营成本。
猎鹰9号是两级火箭。第一级和第二级都采用默林1D发动机。第一级采用9台默林1D发动机，第二级为1台加大喷管扩张比的默林1D真空型发动机。也就是说，整枚火箭的主发动机用的是一个型号。这种发动机通用的设计理念极大地简化了火箭对发动机系统的需求。作为后起之秀的SpaceX公司来说，采用了在阿丽亚娜系列、东风-长征系列得到过验证的发动机通用理念的做法是很明智的。
猎鹰9-1.1火箭的第一级采用9台默林1D发动机。
默林采用燃气发生器循环，使用RP-1煤油和液氧作为推进剂。该发动机是美国在进入21世纪后，从头开始研制的少有的火箭发动机之一（其实能够排的上号的就两个，第一要数洛克达因RS-68液氢液氧发动机，第二就是默林1D发动机了）。
默林发动机使用了早期在阿波罗计划里的登陆舱发动机上所使用的喉栓式喷嘴。推进剂通过一个涡轮泵输出，进入燃烧室。同时，涡轮泵也提供高压液体驱动液压控制器，之后进入低压燃料入口。这样排除了对独立的液压动力系统的依赖，这意味着不会出现由于液压耗尽而失去对推力方向的控制。涡轮泵的第三个用处是提供侧向推力来控制火箭自旋。
第1次发射：2010年6月4日；
第2次发射：2010年12月8日；
第3次发射：2012年5月22日；
第4次发射：2012年10月8日；
第5次发射：2013年3月1日；
第6次发射：SpaceX公司的猎鹰9-1.1型运载火箭2013年9月29日在范登堡空军基地进行了首次发射，把加拿大航天局的“级联小卫星与电离层极区探测器”（CASSIOPE）空间天气观测卫星和搭载的5颗小卫星送入低地轨道。之前的5次发射用的是猎鹰9-1.0型，如今1.0型火箭已退役。
注意猎鹰9-1.1型火箭的9台发动机的布局方式与1.0型有所不同。
左侧为1.0型，右侧为1.1型
猎鹰9-1.0型
猎鹰9-1.1型
这么多发动机，同时保证他们的可靠性可不是一件容易的事情。实际上，SpaceX给出了他们自己的解决方案：动力冗余。在火箭飞行的过程中，这9台发动机当中任何1台因故障关机，都不会影响猎鹰9火箭完成发射任务的能力。当火箭飞行了90秒的时间后，坏掉2台发动机都没事儿。（当然，因燃料泄漏而引起爆炸的事故除外。）
第7次发射：2013年12月3日；
第8次发射：2014年1月6日；
第9次发射：2014年4月18日；
第10次发射：2014年7月14日；
第11次发射：2014年8月5日；
第12次发射：2014年9月7日；
第13次发射：2014年9月21日；
第14次发射：2015年1月10日；
第15次发射：2015年2月11日；
第16次发射：2015年3月2日；
第17次发射：2015年4月14日；
第18次发射：2015年4月27日；
第19次发射：2015年6月28日；
第20次发射：2015年12月22日。
猎鹰9系列火箭采用了芯级通用的设计理念。每个芯级都由9台默林1D发动机提供动力。将来的猎鹰9重型火箭在发射的时候，会由27台发动机来产生推力，其推力大小相当于15架波音747客机推力的总和。注意图中左下角等比例放置的一个小人儿。
小火箭对猎鹰9火箭进行了建模，并采用多约束制导律复现了猎鹰9火箭的第一级回收弹道。制导算法详见小火箭在2012年的论文：
Xing, Qiang, and Wan. C. Chen. "Segmented optimal guidance with constraints on terminal angle of attack and impact angle." 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA. Vol. 257. 2012.
如果有更好的算法，也可以将制导律或者仿真弹道发给小火箭一起讨论噢。
用3DMAX建模后，第一级火箭的样子初见端倪。为后续的气动计算打下了基础。
从上往下看猎鹰9火箭第一级。注意其撑开的四根支柱。
从下往上看猎鹰9火箭第一级。注意其9台发动机的喷管和4片栅格翼。
栅格翼用在如此巨大的火箭上尚无可以借鉴的模型。小火箭需要对栅格翼的气动流场和其受力情况进行建模和仿真计算。
为了算个气动，小火箭也是拼了。栅格翼的量取和模型搭建还是很有意思的。就是气动计算的过程有些耗费时间。这是气流流过栅格翼时的情况。
栅格翼对一级火箭的姿态稳定起到了一定的作用。
近距离看气流迎面吹来的样子。
用更密一些的流线来表现气流的流场，虽然用的时间更久，但是能够出结果，还是值得的。
栅格翼表面压力分布情况
猎鹰9号火箭第一级回收仿真。
仿真参数：默林1D发动机，海平面比冲：282秒；真空比冲311秒；第一级发动机上升段工作时间：180秒。
一二级分离示意图
猎鹰9号火箭的第一级在与第二级分离后，用3台发动机完成了程序转弯的过程。在太空中利用姿态控制火箭使箭体旋转180度，令第一级的9台主发动机朝向地面，进行“Boostback Burn”减速。
当第一级再入大气后，进行“Entry Burn”减速，并逐渐调整箭体姿态。在火箭接近地面时，第一级火箭顶部的四个栅格翼展开，对箭体姿态进行稳定。主发动机再次点火，利用略低于火箭重量的推力使火箭进一步减速。火箭第一级利用带有终端角度、速度和位置约束的制导律接近地面着陆场并实施软着陆，实现火箭第一级的回收。
SpaceX官方给出的第一级火箭回收过程示意图，黄色实线为上升段弹道，绿色实线为下降段弹道。
猎鹰9火箭第一级的回收成功终于使该系列火箭赢得了众人的喝彩。回顾SpaceX公司从2002年6月由艾伦·马斯克建立以来的发展历程，我们不难看到，优秀的管理理念和设计理念在航天领域以及其他高科技公司领域的重要性。
SpaceX公司从创立伊始到第1枚猎鹰9火箭上天，总花费为4.4亿美元。如此低的运营和研发成本，除了有借鉴NASA大量成熟技术的因素之外，还有组织架构合理这个重要原因。
SpaceX的员工在2005年11月还只有160人，此时基础的系统研发已告一段落。到2008年7月，该公司的员工刚刚超过500人，猎鹰1号火箭也就是在这一年完成了首飞，成为世界上第一个抵达了近地轨道的私人航天器。到2010年，该公司的员工有1100人，此时猎鹰9号火箭已崭露头角。
精简的人员配置摒弃了官僚味道浓厚的传统架构，使得公司的运营成本大幅降低，新的创意也不会被过早地扼杀在无穷无尽的项目评审会和研讨会中。
但愿世界上会多几家像SpaceX这样的公司，同时也对全球所有的仍在航天科研第一线奋斗的人们致敬。毕竟，以航天科技人员的理论水平、学习能力和拼搏精神，他们原本可以在其他行业获得数倍于航天工程师的收入。支撑人们继续下去的，有抬头仰望的情怀，当然还得有未来将更加美好的希望。
注：本文已由邢强博士独家授权小火箭刊发。
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
小火箭情怀制作，欢迎朋友圈转发。
