猎鹰9号

猎鹰9号运载火箭（英语：Falcon 9）是SpaceX设计并及制造的中型两级入轨（英语：Two-stage-to-orbit）运载火箭系列，以星球大战系列中的“千年隼（Millennium Falcon）”和第一级拥有的9个发动机而得名。猎鹰9号已发展出5个版本：猎鹰9号1.0版（已退役）、猎鹰9号1.1版（已退役）、猎鹰9号FT（Block 3）（英语：Falcon 9 Full Thrust）（已退役）、猎鹰9号 Block 4（英语：Falcon 9 Full Thrust）（已退役）猎鹰9号 Block 5（英语：Falcon 9 Full Thrust）（现役）。现役的猎鹰9号Block 5型能够在不回收第一级助推器的前提下向低地球轨道发射重达22,800千克（50,300英磅）的载荷， 向地球同步转移轨道发射8,300千克（18,300英磅）的载荷。猎鹰9号运载火箭在人类航天史上有着极为重要的历史地位：它是历史上第一枚可多次重复使用一级助推器（英语：Reusable launch system）的液体燃料运载火箭，推翻了运载火箭只能一次性使用的思维定势。它也是第一枚完全于21世纪开发和设计的火箭，此外也是美国首度由私人企业承包国家探索太空的发射工作，开启商业航天时代。其低成本、多发并联、垂直回收、多次使用、快速迭代的设计思路彻底颠覆了传统的航天思维，影响了商业航天时代火箭的设计，其极为低廉的发射价格也彻底改变了国际商业航天的市场格局。猎鹰9号运载火箭和龙飞船的组合于2008年赢得了NASA商业补给服务（英语：Commercial Resupply Services）（CRS）的合同，在商业轨道运输服务（英语：Commercial Orbital Transportation Services）（COTS）下向国际空间站（ISS）运送货物。做为商业乘员运输能力（英语：CCtCap）（CCtCap）合同的一部分，SpaceX已经为猎鹰9号运载火箭申请载人认证（英语：Human-rating certification），使该款火箭能向国际空间站运送航天员，如此便达成航天器可完全多次利用、且载人进入地球轨道的最终目标，SpaceX估算届时发射成本多数为民间可负担的燃料费，使普通企业也能开展太空飞行的业务（英语：Private spaceflight）。SpaceX的猎鹰重型运载火箭基于猎鹰9号设计，采用三个并联的猎鹰9号的第一级助推器。尽管SpaceX自己花钱研发了先前的猎鹰1号火箭，但NASA提供的一些开发资金和购买的几次演示飞行使猎鹰9号的开发大大加快。最初，2006年的COTS（英语：Commercial Orbital Transportation Services）项目为猎鹰9号提供了启动资金。该合同以Space Act Agreement (SAA)的形式授予，以“开发和展示一个商业轨道运输服务”为目的。合同中NASA向SpaceX订购了3次演示飞行。合同总额为2.78亿美元，为龙飞船、猎鹰9号运载火箭和几次载有龙飞船的猎鹰9号的演示飞行提供了开发资金。2011年，合同中增添了更多的里程碑，使合同总额增加到了3.96亿美元美元。2008年NASA签订合同，购买了12次CRS（英语：Commercial Resupply Services）任务，成为了猎鹰9号的关键客户，而这12次任务只有在最初的几次国际空间站COTS演示任务完成并被NASA认定为成功后才能正式进行。 这个太空运输合同总价值16亿美元，要求最低以12次任务将补给运至ISS，并从ISS将科研货物带回地球。马斯克曾多次提到，如果没有了NASA的资金，开发猎鹰9号会耗时更长。SpaceX关于NASA合同的官方声明称：SpaceX是在NASA取得令人难以置信的成就的基础上实现这一目标，将NASA作为主力客户进行开发，并在整个开发过程中获得专家建议和指导。SpaceX特别感谢NASA COTS办公室在整个过程中给予的持续支持和指导。COTS计划展示了真正的私人/公共合作伙伴关系的力量，我们期待着我们的团队将来所做的令人兴奋的努力。2011年，SpaceX估计猎鹰9号1.0版的研发花费约为3亿美元。 NASA评估得出的结论是，如果采用了传统的成本保利合同（英语：Cost-plus contract）方式，总花费将为36亿美元。2014年，SpaceX公布了猎鹰9号及龙飞船总共的研发成本。NASA提供了3.96亿美元，而SpaceX提供了多于4.50亿美元用于火箭和飞船的开发。SpaceX原先计划用中等运力的猎鹰5号运载火箭来作为轻型的猎鹰1号运载火箭的补充。 2005年，SpaceX宣布他们已经转向猎鹰9号火箭的研发。猎鹰9号火箭是一种“完全可重复使用的重型运载火箭”，并已经获得了一份政府客户订单。根据描述，它能将约9,500千克（21,000磅） 送入低地球轨道，预计每次发射，整流罩长度3.7米（12英尺）的版本定价2700万美元，整流罩长度5.2米（17英尺）的版本定价3500万美元。SpaceX还宣布研发猎鹰9号运载火箭的重型版本，LEO运力约为25,000千克（55,000磅）。猎鹰9号火箭将用于LEO、GTO以及货运或载人 的ISS任务。.NASA原先的COTS合同要求2008年9月进行首次演示飞行、三次演示任务在2009年9月前全部完成。 2008年2月，首次猎鹰9号/龙飞船COTS演示任务推迟了6个月，推迟到了2009年第一季度末。伊隆·马斯克表示，开发工作的复杂性以及从卡纳维拉尔角发射要满足的规章要求共同造成了这次推迟。首次多发动机测试（2台发动机连接到第一级并同时点火）在2008年1月首次成功完成。经过多次成功测试，2008年11月，完整的猎鹰9号火箭第一级完成了全任务时长（178秒）的测试点火。2009年10月，首个用于飞行的第一级在SpaceX位于德克萨斯州McGregor的测试架上完成了全发动机测试点火。2009年11月，SpaceX进行了首次二级测试点火，点火时长40秒。测试成功完成，未出现终止或重新开始测试（recycle）的情况。2010年1月2日，二级一次全时长（329秒）入轨点火测试在McGregor测试场成功完成。 完整的火箭在2010年2月初运抵发射场进行集成。虽然他们估计集成与测试需要花费1到3个月，SpaceX仍然计划于2010年3月22日发射。2010年2月25日，SpaceX的首个飞行组合体在卡纳维拉尔角CCAFS SLC-40起竖。 3月9日，SpaceX进行了一次静态点火测试。测试中第一级点火，但不会离地。。由于设计用来将高压氦气从发射台泵入涡轮泵以转动涡轮泵准备发射的系统出现故障，测试于T-2秒时中止。后来的调查发现故障因一个阀门没有收到开启指令而发生。因为问题出在发射台而非在火箭本身，又因为McGregor测试场阀门的布置不同，所以这个故障没有在先前的测试中出现。中止时火箭底部出现了一些火和烟，因此有人怀疑有发动机起火。但是，火和烟是系统中液氧与煤油混合物正常燃烧的结果，火箭与发射台都未受损。在中止之前，火箭各系统都正常工作，没有发现其他需要解决的问题。后续的测试在3月13日成功进行，第一级9台发动机点火了3.5秒。由于空军需要对猎鹰9号飞行中止系统（flight termination system，FTS）进行评估，首飞从3月推迟到了6月。首次发射尝试发生于美国东部时间2010年6月4日周五下午1:30（1730 UTC）。点火后很短时间内发射自动中止，并自动进行了中止后的程序。地面人员得以重新开始（recycle）火箭发射程序。最终在当天下午2:45（1845 UTC），火箭成功发射。2010年12月时，SpaceX的生产线每3个月生产一枚猎鹰9号火箭、一艘龙飞船，并且有计划使速度翻倍，达到每6周一枚（艘）。截至2013年9月，SpaceX总生产空间增长到了将近1,000,000平方英尺（93,000平方米），而且工厂已经为了达到每年40枚芯级的产量而进行了配置。截至2013年11月，工厂每月生产一枚猎鹰9号火箭。公司计划在2014年中期将产量提高至每年18枚，在2014年末提高到每年24枚，，在2015年末达到每年40枚芯级。到2016年2月，这些计划仍未完成。公司表示芯级产量直到最近才提高到每年18枚，可以同时组装的芯一级数量从3枚提升到了6枚。预计在2016年末，产量会提升至30枚每年。 但是截至2016年8月，SpaceX已经在向着每年生产40枚努力了，而40枚正是SpaceX在2013年配置工厂时的预计速度。猎鹰9号火箭共推出过五个版本：猎鹰9号1.0版，猎鹰9号1.1版，猎鹰9号全推力型（Block 3），猎鹰9号Block 4，猎鹰9号Block 5。猎鹰9号1.0版为猎鹰9号的第一个版本，于2010年6月4日首次发射，火箭高度54.9米，直径3.66米，最大重量333.4吨，采用两级设计，第一级搭载9台Merlin 1C发动机，呈九宫格布局，第二级搭载1台Merlin 1C真空版发动机，两级火箭均采用液态氧和煤油作为燃料，近地轨道运载能力为10,450千克，地球同步轨道运载能力为4,540千克。该版本火箭第一级不可回收。猎鹰9号1.0版共进行5次发射，其中四次完全成功，一次部分成功。2013年3月1日的CRS-2任务后该版火箭退役不再使用。猎鹰9号1.1版为猎鹰9号的第二个版本，于2013年9月29日首次发射，火箭高度增加到68.4米，最大重量增加到541.3吨，近地轨道最大运载能力提高到13,150千克，和1.0版相比，1.1版一个重要的不同在于第一级的9台Merlin发动机改为被称为“Octaweb”的圆形布局，发动机型号也升级为Merlin 1D。顶部荷载可选择长13.1米，直径5.2米的整流罩，也可以选择搭载天龙号货运飞船。第一级可以视任务情况安装返回大气层着陆使用的栅格翼和着陆腿，但是该版本的所有回收实验全部失败。猎鹰9号1.1版共进行了15次发射，最短的两次发射间隔仅13天，除了2015年6月28日CRS-7任务失败之外，其他主线任务全部成功。该版本在猎鹰9号第21次发射任务（JASON-3）后退役不再使用。猎鹰9号全推力版是猎鹰9号的第三个型号。，于2015年12月22日首次发射执行Orbcomm-OG2-2任务。火箭针对CRS-7任务失败中暴露出的问题进行了全面的改良，高度增加到70米，并对液氧煤油燃料进行冷凝处理以提高燃料搭载。全推力版的近地轨道运载能力提高到22,800千克，地球转移轨道的运载能力提高到8,300千克，并增加了对载人龙飞船的适配。回收用的着陆腿和栅格翼成为标准配置，第一级火箭完全可回收。猎鹰9号全推力版共进行了25次发射，除了AMOS-6任务在发射前意外爆炸，所有发射均获成功，并实现了16次成功着陆。其中，Orbcomm-OG2-2实现人类历史上第一次火箭助推器陆地回收，而CRS-8任务实现第一次海上回收，SES-10任务实现第一次火箭助推器重复使用。另外BulgariaSat-1和Iridium NEXT 11–20两次任务之间发射间隔仅有49小时15分钟，是目前为止历史上同款火箭发射时间间隔最短的记录。该版本在猎鹰9号第49次发射（Paz/Tintin A&B）后退役不再使用。猎鹰9号Block 4为猎鹰9号全推力版和猎鹰9号Block 5之间的过渡版本，采用了可多次使用的钛合金的栅格舵取代了铝合金的版本。猎鹰9号Block 4首次发射为2017年8月14日的CRS-12任务，使用7枚一级助推器共进行了12次发射，所有发射均获成功，6次回收也全部成功。该版本在猎鹰9号第57次发射CRS-15后退役不再使用。猎鹰9号Block 5为猎鹰9号的最新型号，具有多次重复使用能力，在不检修翻新的情况下能够执行10次任务，而翻修后更能执行达百次的任务。Block 5也采用了全新设计的上面级，取代了之前造成CRS-7事故和AMOS-6事故的上面级，提高了整体的安全性能。猎鹰9号Block 5也是载人龙飞船所使用的运载火箭。猎鹰9号Block 5首次发射为2018年5月11日的Bangabandhu-1任务，使用8枚一级助推器共进行了18次发射，所有发射均获成功，15次回收14次成功。猎鹰9号是现役所有运载火箭中设计非常独特的一款，其主要特点为：发射前多次静态点火，第一级垂直回收（VTVL），多个部件多次重复使用。所有在洛杉矶霍索恩Space X总部生产完毕的第一级助推器并不会直接运送到发射场，而是送到位于得克萨斯州McGregor的SpaceX发动机测试场进行静态全工作时长的发动机测试，确认所有发动机均可以正常工作后，再通过陆运送到发射场，运送到发射场后，猎鹰9号会在不搭载载荷的情况下运送到发射台上进行第二次静态点火，一般点火时间不会超过10秒，以确认所有系统可以正常工作。在两次静态点火完成并确认无误后，猎鹰9号才会安装载荷进行正式发射。猎鹰9号在执行陆地着陆程序时，第一级火箭在和第二级火箭分离后会利用氦气调整器调整姿态向后翻转，点燃九台发动机中的一台进行“回推推进（Boostback Burn）”，第一级顶部的四个栅格翼会展开调整姿态。进入大气层时会第二次点燃三台发动机进行“再入推进（Entry Burn）”。接近地面时，然后第三次点燃一台发动机进行“着陆推进（Landing Burn）“，打开着陆腿，利用略低于火箭重量的推力反向喷气软着陆。而执行海上回收程序时，第一级火箭不会执行回推推进（Boostback Burn）”而是直接进行再入推进。猎鹰9号1.1版曾在四次发射后进行海上返回实验，前两次因火箭降落速度过快或姿态控制不当导致回收失败并坠毁，第三次回收则因CRS-7任务火箭第一级爆炸而没有实施。其后SpaceX获得美国联邦航空局批准选择改为在卡纳维拉尔角空军基地新建的“第一着陆场（Landing Zone 1）”（原13号发射复合体）进行陆地回收测试。2015年12月21日，猎鹰9号火箭进行第20次发射，在为Orbcomm发送11颗卫星后，第一级火箭在卡纳维拉尔角空军基地第一着陆场成功着陆。2016年4月8日，猎鹰9号火箭进行第22次发射，在为国际空间站进行充气式太空舱试验及货物运输补给的任务后，第一级火箭（编号B1021.1）进行第五次海上着陆尝试，第一级火箭在大西洋上的驳船上成功降落。2019年8月6日，在AMOS-17任务中，整流罩回收船“Ms. Tree”成功接到了猎鹰9号的整流罩。此前该船已经成功接收到猎鹰重型火箭在STP-2任务中所使用的整流罩。在2019年11月11日的Starlink-2任务中，猎鹰9号首次使用了回收的整流罩。猎鹰9号的助推器在陆地着陆场或者海上着陆驳船上着陆后，会被运回霍索恩的火箭制造工厂进行全面的检查，如果确认没有问题，会将其运送到得克萨斯州McGregor，重复静态点火——发射回收的整个流程。2017年3月30日，执行CRS-8任务的猎鹰9号火箭第一级助推器（编号B1021.2）再次发射，实现一级火箭的重复利用，并又一次成功回收。2018年12月3日，编号为B1046.3的猎鹰9号助推器执行SSO-A任务，这是第一枚进行第三次使用的火箭助推器，标志着猎鹰9号重复使用技术的又一个里程碑。在2019年11月11日的Starlink-2任务中，猎鹰9号首次使用了回收的整流罩，同时该任务中使用的B1048号助推器也是第一枚进行第四次发射和回收的火箭助推器，整枚火箭除了第二级为新造之外全部为复用。猎鹰9号目前使用或计划使用以下几个发射场：1、卡纳维拉尔角空军基地40号航天发射复合体（CCAFS LC-40）2、范登堡空军基地4号发射复合体E （VAFB SLC-4E）3、肯尼迪航天中心39号发射复合体A（KSC LC-39A）4、得克萨斯州博卡奇卡发射场猎鹰9号目前以下的着陆和回收设施：1、卡纳维拉尔角空军基地1号，2号着陆场（CCAFS LZ-1 and LZ-2）（前卡纳维拉尔角空军基地13号发射复合体）2、无人航天着陆船（Autonomous spaceport drone ship）：正在使用中：“Of Course I Still Love You”（当然我还爱你）（Marmac 304）“Just Read the Instructions”（请阅读说明书）（Marmac 303）在建中：“A Shortfall of Gravitas”已退役：“Just Read the Instructions”（请阅读说明书）（Marmac 300）3、范登堡空军基地4号着陆场 （VAFB LZ-4）（前范登堡空军基地4号发射复合体W（VAFB SLC-4W））4、整流罩回收船：“Ms Tree”（原名“Mr Stevens”）和“Ms. Chief”猎鹰9号系列运载火箭在9年里共发射了81次，其中79次任务完全成功（成功率97.5%），1次部分成功（成功将主载荷送入轨道，但一个次级载荷进入了低于预期的轨道）, 1次失败（全部损失）。另外，一枚火箭及其载荷于发射前在发射台上为静态点火测试作准备时因爆炸被摧毁。58次火箭回收尝试中有49次成功（成功率84.5%）。火箭第一版猎鹰9号1.0版在2010年6月到2013年3月间发射了5次。它的后继者猎鹰9号1.1版在2013年9月到2016年1月间发射了15次，猎鹰9号全推力版（包含FT，Block 4和Block 5）从2015年12月至今共发射54次。>18,500(可重用）～5300（可回收使用）>5,800（可重用）第二级分离模拟图第一级燃料舱国家航空航天局出席SpaceX公司发射典礼着陆腿张开回收过程慢速摄影的发射轨迹尾端喷管2014年7月的发射COTS验证飞行