SpaceX的各種進展都會引起航天從業(yè)者和愛好者的關注，星仔作為其中一員也不例外。這兩年我們已經(jīng)習慣了看到帶著柵格舵和著陸腿的獵鷹9火箭，然而12月23日執(zhí)行GPS III SV01任務（載荷為首顆第三代GPS衛(wèi)星GPS III A-1）的獵鷹9 Block5（B1054.1）竟然沒有柵格舵和著陸腿，這一簡陋的構型真的已經(jīng)多年未見了，感覺……好像獵鷹9出門少穿了幾件衣服……。這種配置自然也就意味著這一發(fā)獵鷹9沒有進行回收。

GPS III SV01任務（作者Geoff Barrett）

光桿的B1054.1和完整版的Block5版本

　　B1054.1甫一露面就引起很多討論：這樣一發(fā)設計可以重復使用十次以上的Block5火箭，竟然一次性使用，有無搞錯？馬斯克受了CRS-16回收失敗的刺激破罐子破摔了？還是美國空軍財大氣粗就是這么任性？

　　本期星仔就和大家一起探討此次不回收的原因以及SpaceX發(fā)射任務中是否開展回收/采用何種回收方式的原則。

　　真的是受到CRS-16回收失利的影響嗎？

　　很自然的，有些人可能會懷疑取消回收是受到本月5日的CRS-16陸上回收失敗的影響。

　　CRS-16本來是一次平淡無奇的發(fā)射，唯一特別的是這是獵鷹9 Block5首次執(zhí)行對國際空間站的貨運補給任務。

熟悉SpaceX的人會期待看到上面的場景

順便嘆一句“嘖嘖，老司機，穩(wěn)”

成功回收已經(jīng)是近兩年SpaceX的日常

　　在CRS-16發(fā)射之前，獵鷹9芯一級（包含重型獵鷹三枚通用芯級回收）在37次（不含傘回收）回收嘗試中成功降落31次，成功率84%，其中17次已經(jīng)飛行了第二次任務，其中包括2次獵鷹重型助推器。海上回收25次，失敗6次，陸地回收12次，全部成功。

 CRS-16之前SpaceX回收情況統(tǒng)計（來源Wikipedia）

2018年SpaceX在CRS-16任務之前發(fā)射情況統(tǒng)計

　　而現(xiàn)實卻出乎絕大多數(shù)人的意料，執(zhí)行CRS-16任務的全新的B1050.1因為柵格舵伺服系統(tǒng)故障回收失敗。此次回收是SpaceX陸地回收首次遭遇失敗。

然而CRS-16任務的結局卻是這樣……

B1050.1：我覺得我還可以搶救一下

Emmmmmm……

（左為直播后發(fā)布會上神色凝重的SpaceX副總裁Hans Koenigsmann）

　　失敗總是很糟心，SpaceX甚至在直播中掐了一子級的信號。但是，一子級回收并不影響載荷，CRS-16貨運飛船也成功入軌。從時間上看，GPS III SV01任務早就確定了，不可能臨時修改箭體結構。

　　那還會是什么原因呢？

　　從火箭性能方面看，是否能回收，一看火箭本身是否采用回收設計或者是否具有回收價值，二看運載能力是否滿足回收要求。

　　獵鷹9從1.2版本以來，都可以回收，執(zhí)行這次任務的B1054.1屬于最新的Block5當然沒有問題。1.2版本只能復用一次，多數(shù)情況下第二次發(fā)射就不回收了，是拉回來不能用還占地方，不如直接扔海里變珊瑚礁，而B1054.1作為可以重復使用十次以上的最新版本也不存在沒有回收價值的問題。

　　那就是回收狀態(tài)的運載能力不足？那我們就一起來看看回收對獵鷹9運載能力有多大影響：

　　問題1：這些年SpaceX都發(fā)射了些什么到什么軌道？

　　獵鷹9的典型任務包括向國際空間站運送貨物，發(fā)射通信衛(wèi)星和地球觀測衛(wèi)星到地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）和低地球軌道（LEO），包括部分極軌道（PO），以及少量高軌道載荷。高軌道任務包括發(fā)射外太空氣候觀測站（DSCOVR）到太陽拉格朗日 L1點，向月球飛行軌道上發(fā)射的凌日系外行星勘測衛(wèi)星（TESS），以及獵鷹重型試飛發(fā)射特斯拉到火星軌道以外的日心軌道。

　　問題2： SpaceX從哪兒發(fā)射？到哪兒回收？回收方式是怎樣的？

　　談回收之前，我們先來看看SpaceX的發(fā)射與回收設施。

　　SpaceX目前在東海岸的卡納維拉爾角、肯尼迪航天中心和西海岸的范登堡空軍基地運營三個發(fā)射場。范登堡發(fā)射場可以實現(xiàn)高軌道傾角的軌道（66-145°），包括極軌道（PO）和太陽同步軌道（SSO），而卡納維拉爾角可以實現(xiàn)中等軌道傾角的軌道，最高可達51.6°，主要有LEO（近地軌道）和GTO（地球同步轉(zhuǎn)移軌道）。卡納維拉爾角的LC-13現(xiàn)已改名為LZ-1，2017年旁邊增建了LZ-2用于回收獵鷹重型火箭的第二個助推器。

卡納維拉爾角和肯尼迪中心的發(fā)射場和回收場

（沿海岸線依次為SLC-40、LC-39A、LZ-2、LZ-1）

LZ-1和LZ-2，重型獵鷹兩個助推器穩(wěn)穩(wěn)落地就是在這兒

　　東部的范登堡空軍基地的SLC-4E射向向南，用于發(fā)射極軌道（PO）和SSO，但不能發(fā)射到低傾角軌道。發(fā)射后著陸將在鄰近的SLC-4W進行（改建為LZ-4）。

SLC-4E發(fā)射場和LZ-4回收場（引自網(wǎng)友Raul的General SpaceX Map）

　　除了三個陸地回收場，SpaceX還有引以為傲的海上回收平臺（ASDS），分別為“當然，我依然愛你”、“請看說明書”以及在建的“莊嚴的短缺”。如果GPS III SV01任務需要海上回收，現(xiàn)役的回收船可以保障海上著陸（上次東海岸海上回收是在11月15日）。

海上回收平臺

　　問題3：回收會對運載能力造成多大的影響？

　　先來看看獵鷹9一次性不回收任務都有哪些。

　　獵鷹9不回收狀態(tài)發(fā)射的最大載荷10 顆銥星NEXT衛(wèi)星，重量為9600kg（777km極軌道）。GTO軌道最大載荷為通訊衛(wèi)星Intelsat 35e，重量6761kg。軌道高度最高當屬DSCOVR的HEO（L1）軌道了。早期1.0、1.1版本不能回收，1.2版本只能復用一次，在第二次發(fā)射后多數(shù)不回收，這是受到火箭可重復使用性能的限制；部分高軌道發(fā)射任務也不回收，這就是運載能力的限制了。

　　陸地回收則幾乎都用于LEO軌道發(fā)射，其中貨運飛船最多（比如這次的CRS-16）。陸地回收狀態(tài)下發(fā)射過的最大載荷為X-37B OTV-5，重量為4990kg（LEO）。

　　海上回收發(fā)射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛(wèi)星（與一次性使用的最大載荷相同），重量為9600k（PO），GTO最大載荷為通訊衛(wèi)星Telstar 19V，7075kg（目前為止獵鷹9所有GTO發(fā)射中最大的載荷）。

　　SpaceX海上回收點分布

　　（藍色為獵鷹9一子級回收點，引自網(wǎng)友Raul的General SpaceX Map）

　　對比這些統(tǒng)計數(shù)字，我們不難看出，對于現(xiàn)有的GTO、PO、LEO任務，獵鷹9海上回收的運載能力和一次性使用已經(jīng)沒有明顯區(qū)別，其中PO軌道的載荷已經(jīng)接近現(xiàn)有過渡支架承載能力的上限。而陸地回收對運載能力有明顯限制，沒有超過5t，且基本上都是LEO軌道。

　　問題4：回收為什么會對運載能力造成影響？

　　根據(jù)回收過程點火次數(shù)不同，獵鷹9的一級回收彈道有兩次點火和三次點火的區(qū)別。兩次點火時是在再入大氣層前減速點火和著陸段的制動點火，著陸點在發(fā)射彈道的航跡線下（其著陸點主要由分離位置速度決定），主要采用海上駁船回收方式回收。海上回收點距離發(fā)射點距離約為600-700km，主要用于發(fā)射GTO載荷。其典型飛行時序剖面如下：

　　航線下海上駁船回收飛行時序剖面圖（遠陸地海上著陸）

　　對于三次點火回收方式，比兩次點火多一次機動點火（反推點火或叫著陸點修正點火），這次點火的目的是調(diào)整回收著陸點，通過這次機動，可將著陸點選擇為發(fā)射場，也可以選擇為其他（可達范圍內(nèi)）指定著陸點。海上回收點距離發(fā)射點距離為200-400km，主要用于發(fā)射PO載荷（如銥星NEXT），路上回收點一般用于回收LEO軌道的龍飛船。其典型的飛行時序剖面如下：

　　子級在駁船上回收飛行剖面示意圖（近陸地海上著陸）

　　子級返回原場回收飛行剖面示意圖

　　正如圖中所示，陸地回收需要三次點火，消耗推進劑量比較大，自然是對運載能力的影響最大，而對于海上回收，不需要一子級轉(zhuǎn)向往回飛，推進劑消耗量自然大減，尤其是遠陸點海上回收，僅需要兩次點火。從實際結果來看，重復使用對GTO、LEO載荷的運載能力的影響比較小，以至于NASA在對比各家火箭運載能力時直接選用了獵鷹9重復使用條件下的運載能力。

　　 說了這么多，對于這次任務，如果獵鷹9進行回收，運載能力到底夠不夠？

　　首先需要注意的是，這次任務的MEO軌道SpaceX之前并沒有發(fā)射過。

　　GPS III A-01衛(wèi)星重量為4400kg，軌道為20181km×20181km，軌道傾角55°。按照此次任務的時序，火箭二級經(jīng)過接近一小時的滑行二次關機，高度為1220km，之后是近47分鐘的無動力滑行直至星箭分離?；鸺龑⑿l(wèi)星送入一個近地點不大于1220km，遠地點約為20000km的橢圓軌道。而獵鷹9在11月15日的發(fā)射將5300kg的Es'hail-2衛(wèi)星送入了200km×37700km的橢圓軌道上，之后B1047.2第二次成功海上著陸。海上回收條件下發(fā)射的GTO軌道最大載荷Telestar 19V的重量更是高達7060kg。根據(jù)星仔彈道專業(yè)的同事的計算，雖然這次發(fā)射的近地點高于GTO軌道，軌道傾角由GTO的接近0°變成了55°，但獵鷹9海上回收狀態(tài)下運載能力其實能夠滿足發(fā)射入軌的需要。

　　GPS III SV01任務時序

　　Telestar 19V任務時序

　　 那還有什么其他因素影響嗎？

　　從此次任務的時序上看，B1054.1一級工作164s，二級工作326s（第一次點火）+46s（第二次點火），兩次工作過程中有一個1h的滑行段，用于進入1000km以上的入軌高度。而海上回收的Telestar 19V任務中火箭一級工作150s，二級工作338s（第一次點火）+50s（第二次點火）。對比可以看出，如果一子級回收，則需要多消耗近10%的推進劑，二級需要工作更長時間，B1054.1一子級竭盡全力的工作一定程度上降低了二子級的壓力，為這次重要的發(fā)射任務提供了很大余量。

　　留出這些余量的一個重要目的是為了滿足此次發(fā)射的用戶——美國空軍的特殊要求。美國空軍要求獵鷹9的二級有足夠的推進劑用于離軌以再入大氣層銷毀——為了避免產(chǎn)生太空垃圾。此次任務美國空軍方面的主管表示獵鷹9“沒有足夠的性能同時滿足我們的要求和回收——雖然他們在（回收）這件事上做的很成功”。這也就解釋了此次任務中二級發(fā)動機工作時間更短的現(xiàn)象——為了給二級保留更多的推進劑實現(xiàn)離軌，而經(jīng)過同事的專業(yè)計算，這次留給火箭二級離軌的余量也是非常的足夠……

　　美國空軍在重要載荷的發(fā)射上一貫慎之又慎，“只要有一絲風險或變化，都要最大限度地避免”。比如，就在這次任務中，為了增加發(fā)射的“彈性”，作為第三代GPS的首星，GPS III A01相比當初的設計增加了半噸多的推進劑……火箭二級非常“足夠”的推進劑余量更是給發(fā)射上了雙保險。所以，也很難說SpaceX這次選擇不回收是因為運力不足還是為了“保成功”，真相大概只有美國空軍和SpaceX知道了。

　　唯一可以肯定的是，美國空軍肯定給了足夠的錢讓SpaceX把號稱可以重復使用十次乃至百次的獵鷹9 Block5送入大西洋海底。