小火箭剖析SpaceX公司的最新版猎鹰运载火箭｜军武正片

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小火箭出品本文作者：邢强博士

本文共8849字，127图。预计阅读时间：1小时。

本文是小火箭对SpaceX公司的火箭和飞船从飞行器总体设计和商业运营角度进行剖析的系列文章的第6篇。

自2015年起，小火箭从弹道、动力、制导控制系统和可回收运载火箭的栅格翼、成本分析等多个领域对SpaceX公司的猎鹰系列运载火箭与大家一起进行了探讨。

如今，SpaceX公司的猎鹰9号运载火箭的Block 5 版本高调出场。

这个改进型号被称作“目前最理想的可回收运载火箭”“有可能跨进重复使用100次门槛的火箭”。

那么，猎鹰9号运载火箭的Block 5 版本相较于之前的火箭有哪些改进？

（改进程度之大，让小火箭觉得有必要再次为猎鹰9号火箭开启新的话题。）

在可重复使用运载火箭的运载能力与运营成本的论题上，大家一直以来非常关注。今天，我们再次进行认真分析。

文章后面，稍微提一下最新版猎鹰9号运载火箭的首个订单的来头。

总体

猎鹰9号运载火箭的总体设计有一定的传承性。这款采用液氧煤油发动机的二级运载火箭有着不断挑战自己，不断给人们带来新的惊喜的过程。

猎鹰9号运载火箭是SpaceX设计并且制造的中型两级入轨系列运载火箭。这个9号的得名，并不是因为其之前还有6号、7号或者8号，而是因为其第一级拥有9台发动机。

在今天之前，猎鹰9号系列运载火箭有3个成熟型号：

猎鹰9号1.0版本（目前已经全部退役，共发射5次，成功4次）；

猎鹰9号1.1版本（目前也已经全部退役，共发射15次，成功14次）；

猎鹰9号全推力型（又称1.2版，细分为Block 3 和 Block 4 两个亚型，Block 3亚型已经退役，Block 4 亚型目前正在使用中，临近退役。共发射33次，其中成功33次，成功率100%）。

采用全新的加强芯级，再并联上之前普通版本的两台芯级，就构成了知名度颇高的重型猎鹰运载火箭。（很多人甚至是在重型猎鹰问世之后才真正开始关注这个日渐庞大的运载火箭家族的。）

通过上图，我们可以看到，早期1.0版本的猎鹰9号运载火箭的个头儿稍小，高47.8米，直径3.66米（对应着英制单位中比较整的一个数12英尺）。

到了猎鹰9号火箭的1.1版本，其高度就猛增为68.4米了，推力也从1.0版本的4940千牛跃升为5880千牛。

了保证整个猎鹰9号运载火箭系列的生产工装的继承性，猎鹰9号运载火箭家族的芯级直径一直保持为12英尺，也就是3.66米。

这一点，各个航天大国的做法是类似的。比如长征系列运载火箭的芯级和助推器的直径就是5米、3.35米和2.25米3个系列（未来还会有10米级的直径这第4种选择）。

猎鹰9号运载火箭的1.2版本，通常被称作全推力版本，也就是猎鹰9号FT火箭。顾名思义，推力火力全开了。其一级最大推力达到了7600千牛。火箭的总长变为70米。

就在大家以为猎鹰9号运载火箭在不进行芯级并联的时候，推力也就定格在7600千牛的时候，SpaceX公司推出了这款Block 5 型猎鹰9号运载火箭。

她的一级最大推力达到了8130千牛，比全推力FT版本足足又提升了 6.97%！而且，箭体结构和外形并没有发生明显的改动。

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。

重型猎鹰运载火箭在发射的时候，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。

注意上图左下角等比例放置的一个小人儿。

动力

如此说来，猎鹰9号系列运载火箭的改进，其最为明显的特征就是动力的持续增强。

而能够实现这一点，可塑性极强的默林发动机功不可没。

从早期的默林-1C到后来的默林-1D，再到现在的默林-1D魔改。猎鹰9号系列运载火箭的发动机的推力和推重比持续增长。

到重型猎鹰运载火箭升空的时候，默林发动机的单台推力已经达到了80吨量级。

到了现在的Block 5 升级版本，默林发动机的海平面推力达到了845千牛，换算成日常生活的说法，相当于86.17吨，其推力提升幅度为6.97%。

而Block 5 版本的二级的单台默林发动机的真空推力更是达到了914千牛（相当于93.2吨）。

这是什么概念？

小火箭答：

默林发动机看起来，燃烧室压力只有9.7MPa，海平面比冲282秒，真空比冲314秒。这一切并不那么惊艳。

但是这914千牛的真空推力是由一台只有470公斤重的发动机产生的！

也就是说，默林发动机的推重比达到了179.8:1。

据小火箭所知，这是目前人类现役液体火箭发动机当中，最为顶级的指标了。

如此高的推重比，是猎鹰9号系列运载火箭得以取得优异性能的首要因素。（另外的因素是箭体的总体优化设计，这个后面再聊。）

猎鹰9号运载火箭Block 5 型的9台发动机的布局沿用了FT型的形式，也就是中心1台，一圈8台。

这是优化之后的结果。咱们在2015年探讨过猎鹰9号系列运载火箭的动力冗余技术，也就是9台发动机其中的任意1台坏掉，都不影响任务的完成。

在高空，再坏掉1台，也就是2台发动机坏掉，同样能够将载荷送入预定轨道。这里不再赘述。

不过，这个中心1台，一圈8台的布局的形成，不是一蹴而就的。

早期版本的猎鹰9号运载火箭的9台发动机是3行3列的布局方式。此时的猎鹰9号火箭，已经具备了冗余能力。

猎鹰9号 1.0版本

猎鹰9号 1.1版本

不过，这样布局的话，单台失效会有三种模式：

9台发动机，分为3类，分别是芯、角和边。

这3个分类对应3种单台失效模式，也就需要准备3种制导控制系统预案。

改为中心对称布局之后，就只有芯和边 这两种失效模式了，可以极大地简化制导控制系统的设计。

这种优化方案被Block 5 型所继承。

箭体

箭体方面，小火箭先说箭体与动力系统的配合。

之前的9台默林发动机是通过巨大的高强度铝合金框架连接到一起之后，再焊接到一级箭体上的。

这样做，虽然靠谱，但是一旦单台或者多台发动机出现故障，或者铝合金框架出现不可逆的形变，整个一级火箭就得报废了（维护维修成本高于复用利润，不具备重复使用的商业价值）。

现在，Block 5 型进一步为了多次重复使用而升级。以前更多考虑的是重复使用的技术可行性，而现在则是面向单枚火箭可以重复使用10次以上来设计。

因此，Block 5 型的连接盘不再焊死在箭体上，而是用螺栓连接。今后一旦发现问题，就整体拆卸，更换连接盘。这样整枚一级火箭还可以再次使用。

另外，为了能够实现复用10次的目标，9台发动机之间的防热护盾也改为可拆卸式设计。

说起箭体，Block 5 型火箭或许会成为所有猎鹰9号系列运载火箭中辨识度最高的改进型号了。

因为她的一二级级间段是黑色的：

上图为整装待发的猎鹰9号Block 5 型运载火箭。白色的一级和白色的二级之间的黑色部分非常醒目。

这是摄于2016年4月份的猎鹰9号运载火箭。她正准备向国际空间站发射货运版龙飞船。

这种通体洁白的外形，会随着1.1和FT早期版本的全部退役，而再也不会出现。

以后的猎鹰9号火箭，基本上就都是带有一截黑色的样子了。

关于这一截黑色，马斯克本人的说法是：这样会大幅提升火箭的美感。

当然，他也提到了SpaceX公司自主研发的疏水型防热材料。

实际上，这种黑色是没有喷涂任何涂层和油漆的防热材料的本色。

这是一种返璞归真的做法。剥离涂层能够减轻箭体的重量，为进一步提升火箭的性能做出贡献。

早些年，航天飞机也是这么干的。

这是公元1981年4月12日，协调世界时12点00分03秒，哥伦比亚号航天飞机执行STS-1任务时候的精彩瞬间。

我们能够发现，这家伙的液氢液氧外贮箱是白色的。

这是后来的发现号航天飞机执行STS-120任务时，起飞升空的场景。

此时，航天飞机的液氢液氧外贮箱已经变成了红色。

而红色，正是没有刷漆的贮箱材料的本色。

当年，洛克希德·马丁公司的工程师们，经过分析和计算，发现原设计当中用来反射太阳辐射，维持贮箱内部良好温度环境的白色乳胶漆并无必要，干脆不涂了。

之前，为涂好航天飞机外贮箱，需要大量乳胶漆，而当时那个不刷漆的决定，为航天飞机省出了272.1公斤的重量。

这个重量可不能小觑。要知道，即使是补贴价格，航天飞机的每公斤发射成本也在1.16万美元以上。航天飞机是一级半入轨，如此算来，这个决策节省的发射成本在315.6万美元以上。

因此，猎鹰9号Block 5 型的黑色级间段更多的意义不是酷炫（小火箭这把年纪说到这个词，也是有些羞耻的），而是务实。

栅格翼

栅格翼和RCS反推系统是猎鹰9号系列运载火箭实现一级回收的关键。其姿态稳定和姿态控制要仰赖该系统的完美配合。

猎鹰9号运载火箭对栅格翼/舵的创新应用，是大家喜欢这款火箭的一个原因。流场计算：邢强。

而小火箭对猎鹰9号栅格翼的流场计算，也在3年前开启了在产业科普和行业报告中，专门动用小火箭计算中心进行计算和分析的模式。

或许这也是大家喜欢小火箭的一个原因：不去翻译和引用那些二手资料，而是通过建模和计算，给出原创的数据和分析。

这样做，使得小火箭的报告完全迥异于所谓的“稿子”，付出了巨大的成本。好在大家很支持，因为我们都知道，不能每个人都当搬运工，怎么说也得有人做技术的原创输出。

上面视频为小火箭计算中心给出的猎鹰9号运载火箭栅格翼的完全流场计算分析。

科学与艺术，在一个名为美的地方，相遇了。

这是SpaceX的工程师正在安装调试栅格翼的场景。和真人比起来，我们对猎鹰9号的栅格翼的大小就有更加直观的认识了。

这是猎鹰9号运载火箭铝合金栅格翼的本色，也就是还没有涂白色防热漆的样子，是金灿灿的。

为什么非得要涂防热漆呢？

小火箭用几张图来说明：

这是在飞行过程中的猎鹰9号火箭一级顶部的栅格翼。看颜色就知道很烫。

所以，一级火箭回收之后，最为惨不忍睹的就是铝合金栅格翼了。

白色的防热漆被强大的二级喷流冲刷掉，而铝合金结构也往往会造成破坏，而难以多次使用。

于是，猎鹰9号运载火箭升级了栅格翼，材料采用更为耐热的钛合金。在之前发射新一代铱星的时候，有过尝试。

如果好友们足够细心的话，还能够发现，在今年发射的重型猎鹰运载火箭上，两侧的助推器也采用了钛合金栅格翼。（中间芯级的栅格翼依然是铝合金的。）

上图左侧为老款栅格翼，铝合金制成，外有白色防热漆；右侧为新款钛合金栅格翼，没有涂任何涂料。

钛合金的强度更高，因此，也就是省掉了上图黄框内的加强筋，在气动上更加优化。而紫色限位孔的位置不变，方便对已有箭体的改装。

从Block 5 开始，钛合金栅格翼的设计状态固化，成为标配。

Block 5 的最新版栅格翼，如果换个角度来看的话，更有趣：

支撑腿

猎鹰9号火箭的支撑腿是保证回收成功的关键。

旧版本的4条支撑腿，为了展开后固定得牢靠，在外部设计了闭锁机构，一旦打开，就无法再自动缩回。

这设计，原本无可厚非，而且有助于可靠着陆。

不过，这可就苦了工程师们。

因为火箭如果需要再次使用的话，需要手动拆解闭锁机构，重新让伸缩腿复位。

这个说起来容易，实际操作的时候，12人小组，每次都要耗费4个小时才能搞定。

Block 5 型火箭把闭锁机构设计在了箭体内部，由一个主作动器带动8个小机构联动完成，而且是伸缩自如的。

这样，火箭在回来之后，只需派1名工程师，操纵主作动器，就能够在10分钟以内完成支撑腿复位工作。

该升级依然是面向10次复用的目标而设计的。

弹道

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。

这是猎鹰9号运载火箭的发射与一级回收的场景。

Block 5 型猎鹰运载火箭的弹道与之前的略有不同。

Block 5 型到达最大动压状态比FT的早期型号早了足足有8秒！这火箭的推背感十足。

一二级分离比早期型号早了15秒。小火箭详细的弹道计算争取后续补上。

可见猎鹰9号 Block 5 型运载火箭的推力富裕了不少。从二级弹道设计来看，二级不得不减小推力，以便让载荷所受的过载不至于太大。

成本

可回收运载火箭的设计初衷，就是为了大幅降低火箭的发射成本，最终让火箭发射业务进入新的商业化时代，让无论是军星还是老百姓的卫星都能够发射得起。

这是重型猎鹰运载火箭的两枚助推器同时陆上回收的场景。

受小火箭好友的委托，小火箭计算过猎鹰9号运载火箭实现可重复使用之后的成本和利润。

总体来说，按运载能力和弹道反推的话，采用液氧煤油作为燃料的火箭的燃料成本约为采用常温有毒燃料火箭成本的1/30。而如果拿煤油和液氢来比的话，那更会是1/100的量级了。（液氢的成本会是煤油的100倍？为什么会这样？详见小火箭的公号文章《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》）

而实际上，咱们甚至不用过于纠结于燃料的具体单价。因为燃料成本在火箭发射总成本中的占比实在是太小了。（火箭燃料在重量上虽然占火箭的90%以上，但成本基本上不到火箭发射总成本的1%，而SpaceX曾经在核算的时候，给出了0.4%的占比。）

也就是说，咱们去超市买了些吃的苹果，花了将近100元，然后在收银台买了一个4角钱的塑料袋。火箭燃料成本占发射成本的比例就相当于这个塑料袋与整袋苹果的比例。

在这里，咱们假设SpaceX公司把单次火箭发射的利润锁定为10%（这个应该足够保守了吧。）

然后我来说一说小火箭是怎样计算可重复使用的猎鹰9号的成本的。

按照小火箭的工程经验和历史数据，基本上火箭本身的成本占发射总报价的70%。另外的20%要给测控的弟兄们。

而对于一枚二级火箭来说，如果大家接受小火箭之前的设计和计算的话，会按照4.35:1的比例来分配二级运载火箭第一级和第二级的成本。

（具体为什么这样算，争取以后单独写一个成本核算系列来解释。）

好，本着SpaceX每次发射都保守挣10%的原则，按照其多次发射报价的平均值反推，猎鹰9号火箭（已经把保险相关费用算进去了）：

第一级的成本应该为3534.2万美元，

第二级的成本应为812.4万美元。

按现代航天发射和卡纳维拉尔角场地租用的费用推算，单次发射的指挥、测控的成本为：1242万美元。

利润，咱们按报价的10%来保守计算，取621万美元。

好了，那么问题来了，每次回收后的检测、维护保养可都是要有费用的。暂且将其设为X万美元。

问：假如SpaceX公司要实现重复使用2次火箭，可将第2次发射的报价降低20%（打八折）的话，每次回收后的检测、维护保养费用应该控制在多少钱以内？

小火箭在这里和大家一起计算一下：

第一次发射，全新的火箭，第一级的成本为3534.2万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控的弟兄们1242万美元，利润为621万美元。

报价就是6209.6万美元。

第二次发射，成功回收了第一级，第一级的成本要和第一次发射的摊平，为3534.2万美元的一半（注意，这里不能按0计算，而是要用类似折旧的算法了），也就是1767.1万美元。第二级得新造一个，也就是还是812.4万美元，给测控的弟兄们还得有1242万美元。加上X万美元的检测维修第一级火箭的费用，第二次发射的总成本为（3821.5+X）万美元。

锁定10%利润的话，报价为（3821.5+X）/0.9万美元。

那么，用（3821.5+X）/0.9=80%*6209.6，就可以求出：

X=649.4万美元。

也就是说，按照小火箭的估算，如果猎鹰9号可回收火箭只能回收第一级，而且只重复用了1次的话，只要回收后的维护保养费用控制在649.4万美元以内，第二次发射的报价就能打八折。

而我们不妨认为SpaceX公司对回收后的第一级火箭进行检测和维修的总费用为295万美元。这是基于现有技术条件下的比较乐观的估计。

由此可见，火箭回收以后，第2次发射打8折是完全可以实现的。

或许有同学问了，既然检修的成本也知道了，那么咱们干脆计算一下猎鹰9号火箭多次发射的报价会呈现怎样的趋势吧！

好的，小火箭满足你。

第1次发射，全新的火箭。第一级的成本为3534.2万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控的弟兄们1242万美元，利润为621万美元。

第1次发射报价：6209.6万美元。

第2次发射，检修费用295万美元，第一级成本为1767.1万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为4116.5万美元，利润为457.4万美元（成本的九分之一）。

第2次发射报价：4573.9万美元。（是首次报价的73.3%）

第3次发射，检修费用295万美元，第一级成本为1178.1万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为3527.5万美元，利润为391.9万美元（成本的九分之一）。

第3次发射报价：3919.4万美元。（是首次报价的63.1%）

基本上，第2次就7折了，第3次6折，那么，第4次会是5折（半价）么？咱们继续算算看：

第4次发射，检修费用295万美元，第一级成本为883.6万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为3233.0万美元，利润为359.2万美元（成本的九分之一）。

第4次发射报价：3592.2万美元。（是首次报价的57.8%）

嗯，还算不上半价。咱们接着发射。

第5次发射，检修费用295万美元，第一级成本为706.8万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为3056.2万美元，利润为339.6万美元（成本的九分之一）。

第5次发射报价：3395.8万美元。（是首次报价的54.7%）

嗯，第5次发射依然难以称得上是半价。接着来。

第6次发射，检修费用295万美元，第一级成本为589.0万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2938.4万美元，利润为326.5万美元（成本的九分之一）。

第6次发射报价：3265.9万美元。（是首次报价的52.6%）

6次发射了，依然没能降到半价。

第7次发射，检修费用295万美元，第一级成本为504.9万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2854.3万美元，利润为317.1万美元（成本的九分之一）。

第7次发射报价：3171.4万美元。（是首次报价的51.1%）

第8次发射，检修费用295万美元，第一级成本为441.8万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2791.2万美元，利润为310.1万美元（成本的九分之一）。

第8次发射报价：3101.3万美元。（是首次报价的49.9%）

哈！第8次发射，终于能够将单次发射的报价打半价了！但是，还别着急离开，继续算下去，看看会怎样。

第9次发射，检修费用295万美元，第一级成本为392.7万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2742.1万美元，利润为304.7万美元（成本的九分之一）。

第9次发射报价：3046.8万美元。（是首次报价的49.1%）

第10次发射，检修费用295万美元，第一级成本为353.4万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2702.8万美元，利润为300.3万美元（成本的九分之一）。

第10次发射报价：3003.1万美元。（是首次报价的48.4%）

第11次发射，检修费用295万美元，第一级成本为321.3万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2670.7万美元，利润为296.7万美元（成本的九分之一）。

第11次发射报价：2967.4万美元。（是首次报价的47.8%）

第12次发射，检修费用295万美元，第一级成本为294.5万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2643.9万美元，利润为293.8万美元（成本的九分之一）。

第12次发射报价：2937.8万美元。（是首次报价的47.3%）

第13次发射，检修费用295万美元，第一级成本为271.9万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2621.3万美元，利润为291.3万美元（成本的九分之一）。

第13次发射报价：2912.5万美元。（是首次报价的46.9%）

第14次发射，检修费用295万美元，第一级成本为252.4万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控1242万美元。成本为2601.8万美元，利润为289.1万美元（成本的九分之一）。

第14次发射报价：2890.9万美元。（是首次报价的46.5%）

报价这样就是实在降不下去了。

其根本原因在于：对于第一级火箭的维护保养成本已经高于第一级火箭的残余价值，早该将这枚火箭送入博物馆了。

按照这样计算，再考虑折旧和可靠性的风险，实际上，这枚猎鹰9号可回收火箭在第10次发射之后就应该早早退役了。（维护保养的费用已经和第一级火箭的残余价值比较接近了。）

小火箭计算后的结论就是：

如果SpaceX公司能够把对第一级火箭的检测维修成本控制在295万美元以内的话，同一枚火箭的第8次发射的报价将会是一次性火箭的一半。如果平均每一枚火箭能够发射3次的话，报价可以变为原报价的63.1%。

因此，对于之前的猎鹰9号运载火箭，考虑到维护保养的成本和测控的成本，小火箭给出了14次复用的限制。

Block 5 型运载火箭，从技术层面上升级之后，会大幅降低维护保养成本，因此，其10次复用的目标还是有可行性的。

可以预见，猎鹰9号 Block 5 型运载火箭的发射报价，今后很有可能降到5000万美元。

而10次一大修，单枚火箭可复用100次的目标，将会是Block 5 型新的奋斗方向了！

订单

SpaceX公司的猎鹰9号 Block 5 型最新版本的运载火箭的启动订单，由孟加拉国担当！

Block 5 型火箭的首单，发射的是孟加拉国的首枚地球静止轨道通信卫星。这颗卫星由泰雷兹阿莱尼亚宇航公司生产，造价2.48亿美元（小火箭注：约合15.7亿元人民币）。

该星重3.6吨，设计寿命15年，定点在赤道上空3.6万公里的静止轨道上。

小火箭风格：

具体坐标为东经119.1°。

该星配备14个C波段转发器，26个Ku波段转发器，刚好能够赶上2018年的世界杯，孟加拉国的球迷们有福了！

载人

很早以前，人们就对猎鹰9号运载火箭能不能执行载人任务，有过各种猜想。

现在来看，载人版龙飞船进展还算顺利（至少项目是保留着的），而猎鹰9号运载火箭在进入FT序列之后，在Block 5 之前，是100%的发射成功率。

这一切，让大家充满了期待。

小火箭通过联合会了解到，美国宇航局NASA内部是放出过这么一句痛快话的：

只要猎鹰9号 Block 5 型运载火箭现在冻结技术状态，不再进行快速迭代，而且以量产型的Block 5运载火箭连续成功执行7次货运任务的话，就获准执行载人任务，而且有希望跳过近地轨道验证飞行阶段，直接执行向国际空间站运送宇航员的任务。

结束语

猎鹰9号系列运载火箭的未来会是怎样的？

小火箭首先期待的是对整流罩的可靠回收。

然后是二级运载火箭的成功回收和成功复用。

然后是更大的火箭。

亦或是更快的飞行器。

当然，在厂房里的FT早期型号的猎鹰火箭此时心里应该会有点儿慌。

单枚火箭复用10次，或者复用100次之后，早期型号的火箭，就面临着占用宝贵的厂房空间的窘境。

未来，早期型号的猎鹰火箭会更多地奔赴海洋，进行回收阶段3发点火的极限测试，然后沉入大洋底部，成为人类文明的遗迹。

本文结束，感谢大家！

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