SpaceX的各種進(jìn)展都會引起航天從業(yè)者和愛好者的關(guān)注，星仔作為其中一員也不例外。這兩年我們已經(jīng)習(xí)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(wù)（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(gòu)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(jìn)行回收。

GPS III SV01任務(wù)（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(shè)計可以重復(fù)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(wù)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(yùn)補(bǔ)給任務(wù)。

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(jī)，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(wù)，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(wù)之前發(fā)射情況統(tǒng)計

　　而現(xiàn)實(shí)卻出乎絕大多數(shù)人的意料，執(zhí)行CRS-16任務(wù)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(wù)的結(jié)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(yùn)飛船也成功入軌。從時間上看，GPS III SV01任務(wù)早就確定了，不可能臨時修改箭體結(jié)構(gòu)。

　　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(shè)計或者是否具有回收價值，二看運(yùn)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(wù)的B1054.1屬于最新的Block5當(dāng)然沒有問題。1.2版本只能復(fù)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(fù)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(yùn)載能力不足？那我們就一起來看看回收對獵鷹9運(yùn)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(wù)包括向國際空間站運(yùn)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(wù)包括發(fā)射外太空氣候觀測站（DSCOVR）到太陽拉格朗日 L1點(diǎn)，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(shè)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(yùn)營三個發(fā)射場。范登堡發(fā)射場可以實(shí)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(shí)現(xiàn)中等軌道傾角的軌道，最高可達(dá)51.6°，主要有LEO（近地軌道）和GTO（地球同步轉(zhuǎn)移軌道）?？{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(jìn)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(dāng)然，我依然愛你”、“請看說明書”以及在建的“莊嚴(yán)的短缺”。如果GPS III SV01任務(wù)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(yùn)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(wù)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(dāng)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(fù)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(fù)使用性能的限制；部分高軌道發(fā)射任務(wù)也不回收，這就是運(yùn)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(yùn)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(diǎn)分布

　　（藍(lán)色為獵鷹9一子級回收點(diǎn)，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(wù)，獵鷹9海上回收的運(yùn)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(yùn)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(yùn)載能力造成影響？

　　根據(jù)回收過程點(diǎn)火次數(shù)不同，獵鷹9的一級回收彈道有兩次點(diǎn)火和三次點(diǎn)火的區(qū)別。兩次點(diǎn)火時是在再入大氣層前減速點(diǎn)火和著陸段的制動點(diǎn)火，著陸點(diǎn)在發(fā)射彈道的航跡線下（其著陸點(diǎn)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(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)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(yuǎn)陸地海上著陸）

　　對于三次點(diǎn)火回收方式，比兩次點(diǎn)火多一次機(jī)動點(diǎn)火（反推點(diǎn)火或叫著陸點(diǎn)修正點(diǎn)火），這次點(diǎn)火的目的是調(diào)整回收著陸點(diǎn)，通過這次機(jī)動，可將著陸點(diǎn)選擇為發(fā)射場，也可以選擇為其他（可達(dá)范圍內(nèi)）指定著陸點(diǎn)。海上回收點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)距離為200-400km，主要用于發(fā)射PO載荷（如銥星NEXT），路上回收點(diǎn)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(diǎn)火，消耗推進(jìn)劑量比較大，自然是對運(yùn)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(jìn)劑消耗量自然大減，尤其是遠(yuǎn)陸點(diǎn)海上回收，僅需要兩次點(diǎn)火。從實(shí)際結(jié)果來看，重復(fù)使用對GTO、LEO載荷的運(yùn)載能力的影響比較小，以至于NASA在對比各家火箭運(yùn)載能力時直接選用了獵鷹9重復(fù)使用條件下的運(yùn)載能力。

　　 說了這么多，對于這次任務(wù)，如果獵鷹9進(jìn)行回收，運(yùn)載能力到底夠不夠？

　　首先需要注意的是，這次任務(wù)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(wù)的時序，火箭二級經(jīng)過接近一小時的滑行二次關(guān)機(jī)，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(diǎn)不大于1220km，遠(yuǎn)地點(diǎn)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(dá)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(diǎn)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(yùn)載能力其實(shí)能夠滿足發(fā)射入軌的需要。

　　GPS III SV01任務(wù)時序

　　Telestar 19V任務(wù)時序

　　 那還有什么其他因素影響嗎？

　　從此次任務(wù)的時序上看，B1054.1一級工作164s，二級工作326s（第一次點(diǎn)火）+46s（第二次點(diǎn)火），兩次工作過程中有一個1h的滑行段，用于進(jìn)入1000km以上的入軌高度。而海上回收的Telestar 19V任務(wù)中火箭一級工作150s，二級工作338s（第一次點(diǎn)火）+50s（第二次點(diǎn)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(jìn)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(wù)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(jìn)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(wù)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(wù)中二級發(fā)動機(jī)工作時間更短的現(xiàn)象——為了給二級保留更多的推進(jìn)劑實(shí)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(fēng)險或變化，都要最大限度地避免”。比如，就在這次任務(wù)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(dāng)初的設(shè)計增加了半噸多的推進(jìn)劑……火箭二級非常“足夠”的推進(jìn)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(yùn)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(fù)使用十次乃至百次的獵鷹9 Block5送入大西洋海底。