第1个回答 2024-05-29
本文原作于2018年2月21日，在上一篇《鹰之击》中，我们主要回顾总结了重型猎鹰火箭首次发射的成败得失：马斯克如愿以偿的依靠重型猎鹰一举拿下“现役最强火箭”的头衔。但首次发射也并非如媒体刷屏时描述的那般十全十美：芯一级汪码回收失败，飞天特斯拉也迷路了，未能如计划中的进入地火转移轨道。
详细内容可以移步：认准这只鹰（一）—— 鹰之击
书接上回，这次我们要来讲讲SpaceX当家主打产品：猎鹰火箭。
SpaceX自成立以来，一共有三款火箭：早期轻型的猎鹰1号，目前绝对主力正值当打之年的猎鹰9号，以及前篇提及的刚刚首次发射成功的重型猎鹰。
要介绍运载火箭，就不得不提火箭的运载能力。火箭的运载能力是按照向不同的轨道能运送的载荷的重量来界定的。因此有必要先简单的介绍一下最常用的两种轨道，因为这两种轨道也是最常用于区分火箭运载能力的。这两种轨道分别是：1，近地轨道，也称为“低地球轨道”，英文缩写LEO；2。地球同步转移轨道，英文缩写GTO。
近地轨道LEO
近地轨道，也被称为“低地球轨道”，Low Earth Orbit，也就是LEO，通常是指距地面高度在2000公里以下的环形轨道。大部分的气象卫星、对地观测卫星、新一代的通讯卫星以及空间铅局站等都是运行在近地轨道上。
地球同步轨道转移GTO
地球同步转移轨道，Geostationary Transfer Orbit，也就是GTO，通常是指近地点高度在1000公里以下，远地点则位于地球同步轨道，也即是距地面高度36000公里高度的一条环绕地球的 轨道椭圆形。GTO并不是一条永久的轨道，没有航天器会长期运行在GTO上。从他的名字“地球同步 转移 轨道”里可以看出，这是一条临时过渡的轨道。当运载火箭将载荷送入GTO后，还要进一步机动变轨进入其他正式轨道。比如高度36000公里的地球同步轨道GEO，以及GEO中最特殊的地球同步静止轨道GSO。我们熟悉的大容量通讯卫星，以及GPS卫星等都运行在GEO或GSO上。
从上面的介绍不难发现，地球同步转移轨道GTO比近地轨道LEO的高度、要求更高。因此运载火箭将载荷送入GTO的能力，也就是能送达GTO的载荷的重量是大大低于将载荷送入近地轨道LEO的。事实上，有一大半的运载火箭完全不具备GTO能力，他们只能将载荷送入近地轨道LEO。比如，猎鹰1号。
准备首次试射的猎鹰1号
猎鹰1号是SpaceX的第一款产品，是钢铁侠的试水之作。这是一种不折不扣的轻型火箭。
猎鹰1号主要参数：
火箭直径： 1.7米
火箭高度： 21.3米
质量： 38.555吨
LEO运载能力： 670千克
首次试射之前的猎鹰1号，可以看出很迷你
猎鹰1号采用了主流的2级火箭布局。第一级采用了一台SpaceX自行研制的梅林-1A液氧-煤油发动机，第二级也就是上面级则是采用了一台更小巧的红隼发动机。
装配中的猎鹰1号， 可以清楚看到第一级的梅林-1A发动机
试车中的红隼上面级发动机
猎鹰1号经过4年的研发，与2006年3月25日首次试射。结果由于梅林1A发动机糟糕的可靠性以及SpaceX当初的各种经验不足，包括首次发射在内，猎鹰1号的最初三次发射全部失败。三射三炸！这噩梦般的经历几乎摧毁了当初刚成立4年多的SpaceX，也让“猎鹰火箭”一度被外界嘲笑为“PPT火箭”。
但钢铁侠还是扛过来了，终于在2008年9月28日，猎鹰1号的第4次发射中取得了成功。虽然，在当时猎鹰1号的性能非常一般，运载能力更是排不上号。但是猎鹰1号确实是一款值得载入史册的火箭，因为， 这是困激哪第一枚私人航天公司研发的液态轨道火箭成功进入地球轨道。在此之前，哪一枚火箭的成功不是举国之力凝聚的成果啊。但当时只有区区500多人的SpaceX却做到了。
更为重要的是，钢铁侠在SpaceX成立之初，就确立了“用最低廉的费用发射火箭”的大原则。猎鹰1号的第一级是可用通过降落伞回收并重复使用的（关于这个的详细说明，将放在第四篇《鹰之魂》中介绍）。因此，在2006年时，SpaceX对猎鹰1号的商业发射给出的报价仅仅只有670万美元。当时引得业内一片哗然和震惊。
然而，钢铁侠的目标远不止于此。他不满足猎鹰1号可怜的运载能力，也不满足并猎鹰1号那不完善的伞降回收方式。永远怀揣火星梦的马斯克需要一个“真正的火箭”，一个“大家伙”。于是，有了后来的猎鹰9号。
无论从哪方面说，猎鹰9号都可以称得上一枚真正的运载火箭。一个不折不扣的大家伙。和猎鹰1号相比，目前最新款的猎鹰9号，也就是所谓的“全推力版”猎鹰9，其直径是前者的2.2倍，高度是3.3倍，发射时的重量是14倍，LEO运载能力则变成34倍！更有着猎鹰1号没有的GTO运载能力。和前者已经完全不可同日而语。
猎鹰9号主要参数*：
火箭直径： 3.7米
火箭高度： 70米
质量： 549吨
LEO运载能力： 22.8吨
GTO运载能力： 8.3吨
*注：上述数据均为猎鹰9号最新型号，也就是“全推力”版本的猎鹰9的数据。运载能力不考虑第一级火箭的回收和复用。
猎鹰9号于2010年6月4日首发成功，当时的猎鹰9号现在被称为1.0版猎鹰9，其性能和目前的全推力版本的猎鹰9还有一定差距。但也是一举成功迈入“中型火箭”之列了。
猎鹰9携带“龙”货运飞船首飞
1.0版猎鹰9，个头比起现在全推力版，除了直径未变，其他都要小上一圈。运载能力也只有目前版本的差不多一半。下图中从左到右依次显示是猎鹰1号以及猎鹰9号从1.0版本到目前全推力版本直到重型猎鹰的“全家福”。
猎鹰火箭全家福
由于SpaceX手里只有“梅林”这一款发动机可用。虽然经过持续改进，从最初的梅林-1A到梅林-1B，直到进化成当时的梅林-1C发动机。但是还是存在着单台发动机推力偏小的问题。那么，能力不足，只能数量来凑了。猎鹰9号1.0版本的第一级就采用了9台梅林-1C发动机并联工作。而且第二级则安装了一台由梅林1C改进来的“真空梅林”发动机来驱动。
猎鹰9号1.0版本时“第一级 九宫格”排列的的9台发动机
而到了1.1版本时，则在第一级安装了进一步改进过的9台梅林-1D发动机。发动机排列方式也从1.0版本的“九宫格”形式改成了现在的1台在中心，具有双维度矢量操作，其余8台分布在周围圆环上只有一个维度的矢量操作的“火环”形式。
“火环”排列形式的9台梅林1-D发动机
两种排列形式的对比
猎鹰9号作为一款中型火箭，性能中规中矩。如要做个简单的对比，其基本性能和我国的长征3号乙系列基本上在同一个水平线上。
但是和猎鹰1号一样，在坚持“最低价”原则的指导下，猎鹰9号具有当前所有同规格运载火箭中最低的发射费用。2018年，SpaceX给出的猎鹰9全推力版本的一次常规的商业发射报价仅为6200万美元。与之相对比，之前依靠“物美价廉”为卖点的俄罗斯国家航天，报价却在1亿美元以上。更别提欧洲的阿丽亚娜5系列每次3亿美元的报价了。
而使得SpaceX得以能够报出如此低价的一个重要因素是SpaceX大量采用市场上最常见的元器件，也就是“大路货”来制造火箭。
相比较价格昂贵换代慢的传统航天专用器件，这样不仅有效降低了成本，而且器件采用的技术也更先进、性能指标更好。以CPU为例，航天专用产品虽然寿命高，并且能在极端环境下长期工作，但在工作频率等指标上通常会比商业、工业级产品至少落后两代（对于此部分，也可以参见我之前的文 探索火星详情