重型猎鹰首飞成功背后的可靠性设计

Posted 2021-04-19 可靠性杂坛

美国东部时间2月6日下午约15:48（北京时间2月7日约04：45），美国佛罗里达，卡纳维拉尔角LC-39A工位，重型猎鹰首飞发射成功！值此，人类现役最强运载火箭的宝座已经易主的事实已经无可撼动。SpaceX 的公司和那个名为马斯克的男人再次成为全球的焦点。

You've really made the grade！

《Space Oddity》的一句歌词也是对重型猎鹰最恰当的点称赞。

在激动与称赞之余，我们更应该警醒的是，自此，就像马斯克在发射前所说的”如果我们成功了，那么所有其它重型运载火箭也就完蛋了。”，全球航天运输的局势重新洗牌，中国航天走向国际化市场的道路上，面对如此强大的对手，我们该何去何从？

本篇，小编想与大家谈三款重型火箭，从各方资料中个人去猜测解读下重型猎鹰在可靠性设计方面的技术优势，由于水平有限，不当之处欢迎大家一起交流讨论。

一、N1火箭

N-1运载火箭是苏联研发的用来将苏联宇航员送到月球的火箭。也就是被西方人称为 G-1e 或 SL-15 的火箭。N1就是俄语носитель（运载器）的缩写。火箭研发工作比土星五号晚，不仅资金短缺、未测试、四次发射试验都失败了，于是苏联在1976年正式取消这项工程。

N-1运载火箭由运载部分和上面级构成。全高105米（比土星5号火箭稍矮），整体呈圆柱体与圆锥体的结合状，这种气动外形在火箭中并不多见，小火箭会在下文详述造成这种构型的原因。最大直径17米（实际为16.876米），起飞重量为2735吨。

一)构成

N-1火箭的运载部分由3级火箭构成。自下而上为第一级（Block A），第二级（Block B），第三级（Block V）。上面级则包含月球轨道器、登月飞船和奔月火箭等结构。

1.一级段

N-1重型运载火箭的第一级，高30.09米，最大直径16.876米，顶部直径10.3米。火箭发动机喷出伸出一级火箭底部平台1.78米。一级火箭上面的那个框架格栅结构为一级火箭与二级火箭相连的部分，高6.325米，镂空的结构方便二级火箭点火的时候向外喷出火箭燃气。

N-1的第一级火箭的底部特写，N-1的一级火箭有30台发动机！这些发动机分为内外两环，外环为紧挨在一起的24台发动机，内环为呈60°中心角均布的6台发动机。这些发动机都是分级燃烧循环的先例。

N-1火箭的第一级是如何控制火箭的飞行方向的呢？

我们都知道，大型运载火箭要想控制其飞行姿态和弹道，需要摆动发动机或者喷管，让高温高速的喷流指向需要的方向。而N-1火箭的发动机排得这么紧密（尤其是外圈），实在是动弹不得。

另外，如果让这30台发动机每一台都有自己独立的伺服机构的话，那结构重量更小不了了。于是，N-1火箭有了自己的独门绝技：不摆动喷管也能控制火箭的飞行方向。

简单说来，N-1火箭的30台发动机分为两个部分，并各司其职。外环的24台发动机负责控制火箭的俯仰和偏航，内环6台发动机负责控制火箭的滚转。

当火箭需要向左转弯的时候，底部位于右侧的发动机们保持较大推力，而坐侧的火箭发动机们适当减小推力，这样就形成了左右的推力差（苏联人将其称作推力差动转弯）。滚转控制依赖内环的6台发动机的协调动作。

2.二级段

N-1火箭的第二级长20.461米，底部直径10.30米，顶部直径7.59米。由8台NK-43火箭发动机推动。NK-43的最大推力为1754千牛（NK-33为1510千牛）。8台发动机排成环形。

N-1火箭的第二级内的主要结构为两个球罐，靠下的为液氧罐，上面为煤油罐。其中，液氧储罐的容积为512立方米，煤油储罐的容积为343立方米。

3.三级段

N-1火箭的第三级长11.01米，底部直径7.59米，顶部直径5.475米。由4台NK-21火箭发动机推动。NK-21火箭发动机的推力为402千牛。4台发动机排列成矩形。

4.第四段

N-1火箭的第四段由1台NK-19火箭发动机推动。推力：446千牛 (44.5吨)比冲：353 s (3,460 N·s/kg)

5.第五段

N-1火箭的第五段也可以看作是飞船的推进系统，外型类似于神舟的逃逸塔。由1台RD-58发动机推动。推力：79.46千牛 （8.1吨）比冲：394 s (3,860 N·s/kg)。

二）四次失败

1.第一次

公元1969年2月21日，莫斯科时间下午12点18分07秒，第一枚N-1火箭点火升空。6秒后，火箭离开发射塔范围。然而，这时候，指挥中心突然收到了火箭发出的警告：传感器报告有2台发动机突然熄火。

熄火的2台发动机是12号与24号，从米申的日记中，我们能够看到火箭发动机的编号顺序。这是位置相对的2台发动机。工程人员当即认为，任务仍可完成。因为N-1火箭设计了动力冗余，损失2台发动机的动力对火箭本身的测试任务的完成并不构成致命威胁。

但是，接下来的事情就不太好了。起飞25秒后，传感器报告发动机燃烧室压力整体不足。这个指令触发了火箭的应急预案。涡轮泵的功率开始增大，但是这个指令与作动机构之间的协调没有进行过测试。

从自动控制原理的角度来说，管路控制系统遇到了比较严重的“超调”。65.8秒时，28台火箭发动机的功率全部超过最大允许值。整个管路系统出现了严重的高频振动。66秒时，1台NK-33火箭发动机的液氧输送管路爆炸！

按N-1火箭的设计，1台发动机的管路爆炸并不该影响整体性能。只需将该管路关闭即可。但是，箭载计算机反应有些慢。等到她关闭管路的时候（在68.7秒成功关闭），一级火箭内部的大火已经无法控制。随后，火箭发生了大爆炸（起飞69秒，此时火箭高度12200米）。

N-1火箭第一枚试验箭的残骸飞散到了发射架附近30千米的范围。但是，值得庆幸的是，L-1飞船在逃逸塔的帮助下，飞离了危险区域。后来，在爆炸平息后，降落在距离发射架22千米的地方。

2.第二次

公元1969年7月3日莫斯科时间23点18分32秒，第二枚N-1火箭拔地而起！

发射6秒后，传感器报告：燃料泵异常！（后来分析是一枚螺丝钉松动后，被强大的煤油喷流冲到了燃料泵里）N-1火箭的故障控制系统立刻关闭了传感器指示出的那台发动机。然而，令人不解的是，故障控制系统没有停下关闭指令，而是开始接连关闭发动机，用了3秒钟的时间，关闭了第一级火箭30台发动机中的29台。（只剩下第18号发动机还在工作）。

推力的大幅下降使得火箭轴向加速度远低于正常值。在火箭向下坠落的瞬间，因轴向加速度符号的变化，立刻触发了火箭逃逸塔。

逃逸塔的巨大推力让N-1火箭终于失去了平衡。她向后躺倒，重重地摔在了发射台上。这一瞬间，人类工程技术史上最大的爆炸事故出现了！

3.第三次

公元1971年6月27日莫斯科时间凌晨2点15分07秒，第3枚N-1火箭点火。前10秒，火箭发动机工作正常。

当火箭飞到250米高的时候，制导系统突然认为火箭的姿态异常，并开始发疯似的试图摆正火箭姿态。而实际上，火箭此时的姿态没有任何不妥。

制导系统的错误指令让原本飞得稳稳的火箭开始偏斜。一级火箭外环24台NK-33发动机的差动控制力矩是如此巨大，以至于瞬间就甩飞了火箭第3级及以上的结构。第3级火箭启动了自毁程序，飞船也被引爆，一起砸到了第1次正式启用的2号发射台上。

失去了第3级和上面级的N-1火箭仍在向上飞行，但是此时已经失去了弹载计算机的控制，成了一枚巨型无控火箭弹。最终，重重地撞到了20千米外的一座小丘上，炸出了一个直径30米，深度将近16米的大坑。

4.第四次

公元1972年11月23日莫斯科当地时间上午9点11分52秒，第4枚N-1火箭点火升空。

第4枚N-1火箭飞行平稳。随后，N-1火箭的飞行速度顺利地超过了声速。

起飞90秒后，N-1火箭程序转弯顺利，按最新的制导程序，再过26秒，就该准备一二级的分离程序了。

但是，警报声在此时响起了。弹载计算机认为此时火箭的轴向过载太大了（事后有科学家认为是4号发动机出现了耦合振动，影响了火箭的轴向过载，但是这个分析并未与其他人的分析达成共识）。30台NK-33火箭发动机的推力比工程师们预计的要稍大一些。当然，在设计中保留这样的余量其实也是必要的。

按照预案，弹载计算机自动关闭了一级火箭内环的6台发动机。（此时接近一二级分离的关键控制点，要保证火箭的俯仰与偏航姿态，因此最好不要关闭外环发动机。）

管路，这回又是管路出了问题。在关闭了内环6台NK-33发动机后，一级火箭供给内环的燃料系统面对突如其来的压力变化没有防备。管路多处破损，导致一级火箭底部中心开始着火。

107秒的时候，整个一级火箭没有经受住烈火的炙烤，发生了爆炸。逃逸塔把绕月飞船带离了爆炸区域。飞船稳稳地降落在拜科努尔。整个上面级弹出后，从4万米高空坠下，摔毁在荒滩上。

（本章摘自公从号小火箭，邢强博士的原创文章<承载苏联载人登月梦想：N-1火箭>，并根据百度百科内容进行部分修改。微信ID：ixiaohuojian)

二、重型猎鹰

重型猎鹰”(Falcon Heavy)是一款由美国民营太空公司“SpaceX”(太空探索技术公司)计划建造的能将货物、人员送上月球、小行星甚至火星的可重复利用运载火箭。

猎鹰重型运载火箭高70米，宽12.2米，重量为1420.8吨，发射初级阶段所有引擎提供的总推力逾500万磅，可送入近地轨道的有效载荷高达14万磅（约合63.8吨），为现役航天器之最，仅次于当年执行阿波罗计划的“巨无霸”土星五号重型运载火箭（140吨）。

重型猎鹰的飞行时序如下图所示。

1.重型猎鹰的第一级火箭由三个猎鹰9的芯一级捆绑构成，1个当芯级，2个当助推器。每个猎鹰9由9台默林发动机组成，共用了27台梅林发动机，在发射时可产生22819kN的推力。

重型猎鹰第一级使用的三个芯一级，使用了一样的Octaweb结构，由9台梅林发动机构成，最中心的核发动机由八个发动机围绕着，改变了以往3x3的发动机排列方式，在简化发动机设计和组装难度的同时，连制造过程也简化了，是一种可供借鉴的设计方案。

2.重型猎鹰的最大特点是可以回收利用火箭，这和猎鹰9号的设计原理是一样的。重型猎鹰的第一级中，中心的箭体和两个助推器都搭载各自的着陆腿。登陆腿是由铝蜂窝碳纤维制成，这是猎鹰9号上成功使用的火箭回收技术。

3.重型猎鹰采用结构冗余技术，其设计留有40%的裕度，而普通火箭只有25%。装备三冗余航电设备和双重启动的级间分离螺栓，可靠性极高。

4.采用推进剂交叉输送技术，可实现助推与芯级的推进剂对流。这种技术虽然有所降低运载能力，但降低复杂性，减少故障概率。

三、长征九号

长征九号运载火箭（英语：Long March 9，缩写：CZ-9或LM-9）是中国一款正在论证的新一代重型火箭，未来将用于我国深空探测、载人登月和登火、空间基础设施建设（如空间太阳能电站）等任务。

长征九号芯级最大直径为10米级，总长约百米，起飞质量超过4000吨，近地轨道（LEO）运载能力140吨，地月转移轨道（LTO）运载能力约50吨，运力与美国土星5号运载火箭相似。

一)方案布局

1.LEO140吨级方案

火箭采用“通用化、系列化、组合化”发展策略，三个构型的对应结构状态相同，可模块化组合。可捆绑液体助推器，也可以捆绑固体助推器。

火箭采用三级半构型，最多可捆绑4个5米直径采用2台480吨级液氧煤油发动机的助推器，一级采用4台480吨级液氧煤油发动机（无助推构型为5台发动机），二级使用2台220吨级液氧液氢发动机，三级采用2台50吨级液氧液氢发动机高空改进型。

火箭全长约93米，芯级最大直径为10米级，起飞推力约为5873吨，起飞质量约为4137吨，近地轨道运载能力约为140吨，地月转移轨道运载能力约为50吨。该方案近地轨道运载能力已超出美国登月使用的“土星5号”运载火箭和苏联“能源”号运载火箭。

2.LEO100吨级方案（旧方案）

火箭采用三级半方案，其中4个3.35米直径助推器各采用1台480吨级液氧煤油发动机，一级采用4台480吨级液氧煤油发动机，二级使用2台220吨级液氧液氢发动机，三级采用2台50吨级液氧液氢发动机高空改进型。

火箭全长近100米，芯级直径为10米级，起飞推力约为4000吨，起飞质量大约为3000吨，近地轨道运载能力约为100吨，地月转移轨道运载能力约为35吨。

火箭通过模块重组LEO运载能力可以达到125-130吨，很可能有一个4助推的基本型和一个6助推的增强型。

二)结构特点

长征九号重型运载火箭的结构尺寸和起飞质量均将突破我国现有运载火箭能力水平，要打造这样一个重量级火箭，科技人员要解决代表世界一流科研水平的更大推力液氧煤油发动机技术，更大推力液氢液氧发动机技术，更大直径箭体设计、制造、试验技术，以及火箭总体设计这“三大一总”为代表的一系列难题。

长征九号火箭的芯一级采用直径10米级箭体结构和新研480吨级液氧煤油发动机，芯二级将采用新型高性能220吨级液氢液氧发动机。虽然大推力液氧煤油发动机对比早期方案进一步降低了指标，但其性能要高于俄罗斯RD-180先进大型液氧煤油发动机，属于大型发动机的顶尖水平。

大推力液氧煤油发动机推力选择的合理化和助推器沿用3.35米直径箭体的设计，还为设计类似美国AtlasV火箭的新一代运载火箭提供了可能。以单发480吨级液氧煤油发动机模块为基础，捆绑使用多个大推力固体助推器调节运力，重型型号由3个或5米3.35米助推器模块组成，其设计远比现有的长征五号和长征七号简洁可靠，将构成地球低轨道运力覆盖10~50吨的大型运载火箭家族，可将中国大型运载火箭的技术和性能提高到一个新的水平。由于较小运力需要使用固体助推器调节运力，这个设计方案还可以弥补长征九号火箭弃用大推力固体助推器对中国固体发动机生产带来的不利影响。

长征九号重型火箭在其他方面技术上也有很大的提高，为了降低结构质量，长征九号火箭的推进剂储箱将使用轻质高强度的铝锂合金，级间段和整流罩使用复合材料；火箭电气和控制系统将使用故障诊断系统，还以此为基础进一步实现火箭故障诊断和重构。火箭制导系统将使用捷联惯导加卫星导航加星光导航的先进复合制导方案，软件方面使用摄动加迭代的制导律，此外火箭还将具备基于天基天链系统的遥测控制能力。这些先进的火箭技术将显著提高长征九号重型运载火箭的性能，还将用于现有长征五号、六号和七号等运载火箭的升级。

三）动力系统

1.480吨级液氧煤油发动机

480吨级液氧煤油高压补燃发动机（或500吨级液氧煤油发动机）将用于火箭的芯一级和助推器。

2.220吨级液氢液氧发动机

采用燃气发生器循环方案的220吨级液氢液氧发动机（或200吨级液氧煤油发动机），将用于火箭的芯二级。

3.25吨闭式部分膨胀氢氧发动机

25吨闭式部分膨胀氢氧发动机，将用于火箭的芯三级。

(本章摘自百度百科）

四、五个担心

在重型猎鹰发射前，马斯克曾说了对发射的五点担心，这五点一方面体现了重型猎鹰的设计特点，另一方面也是重型火箭设计的难点。我想对于我们很有借鉴的意义，在此重温一下。

1.27台发动机点火升空：重型猎鹰由3枚独立的猎鹰9号火箭芯级捆绑而成，这意味着3枚火箭上的各自9台默林火箭发动机必须要协同工作。马斯克说，他担心“这3枚芯级助推器之间会相互影响”——有可能彼此之间的共振会让它们撞在一起导致灾难性的后果。“只要它能够飞离发射塔架，不把发射塔架炸成碎片，我就当它是胜利了。”

2.承受最大压力：升空后76秒，火箭将承受最大的空气动力学压力，也就是所谓的Max-Q——此时，火箭箭体上的随的压力最大。马斯克说，“火箭有可能会在此时解体。”

3.留意掉落的冰块：重型猎鹰的3枚捆绑式结构也提高了另外一重风险，即超低温冷却的火箭上面级外表面冻结的冰块可能在发射时脱落，击中两侧助推火箭的顶部。马斯克说，“这些冰块可能像加农炮弹一样击穿助推火箭的头锥。”

4.助推器分离：马斯克指出，三枚芯级火箭的分离系统已经在地面上进行了全面的测试，但从来没有在飞行中接受过检验。他说，“二级火箭一旦与芯级火箭分离，接下来的流程我们就熟悉多了。”

5.穿越辐射带：这次试射的飞行轨迹不同寻常，需要在长达6小时的在轨滑行阶段穿越包裹地球的范艾伦辐射带。马斯克说，“这里的辐射环境实际上要比深空还要糟糕得多。”火箭上面级的电子系统可能无法在这样的辐射环境下幸存，也就无法进行关键的一次点火，将特斯拉送出地球轨道。马斯克说，“火箭上面级将会承受相当沉重的打击。”

五、思考

在重型猎鹰发射前，从网上看到很多专家的质疑，其中主流的说法如下：

a.是由于发动机并联太多，像N-1火箭一样免不了失败，因为业界公认，发动机超过十台，风险就非常大了。

b.三个一样的猎鹰9芯一级捆在一起，这不就是简单合并，如果这样把串天猴多绑几个，我们早就登月了。

在此我先在介绍了N-1火箭，重型猎鹰和长征九号三款重型火箭，回顾历史，看看今朝，展望未来。通过表象解析实质。

我只是一个普通技术人员，不是什么大牛，针对这些质疑，我想了好久，这里想与大家分享下我的观点。

1.动力系统

重型猎鹰一级的27台发动机不是简单的并联关系。猎鹰重型火箭继承了猎鹰9号运载火箭（Falcon 9）的经验与可靠性。其第一级由三个猎鹰9号引擎内核组成，共27台梅林发动机。每一个猎鹰9一级，由9台梅林发动机构成，最中心的核发动机由八个发动机围绕着，这种布局与N-1火箭的大圆盘布局方式还是不同的。而且经历了多发的飞行验证。

N-1火箭的动力系统设计也是冗余的，但第一次发射两台发动机故障后造成的剩于28台火箭发动机的功率全部超过最大允许值。证明动力系统的冗余重构存在薄弱环节。而且圆盘布局的方式在差动控制方式下，如果一侧的发动机失效，造成的推力不平衡性。对火箭的控制是不利的。

反观猎鹰9的动力系统设计，根据资料，任意两台发动机故障都不会造成飞行失败。哪么我们简单的推理一下重型猎鹰一级段是否意味着最多六台发动机失效飞行不成问题。也就是说在8种发动机故障模式下，重型猎鹰的一级飞行也不会有问题。

所以可以推断，在动力系统冗余与重构方面，N-1火箭与重型猎鹰应该说有本质区别的。

2.控制系统

N-1火箭第三次发射制导系统误判造成姿态失稳，火箭引爆。这说明N-1火箭的控制系统设计上也存在致命薄弱环节。

而重型猎鹰，两个助推，一个芯一级的可回收设计，必然自带飞控系统并可自诊断。整箭的控制系统架构根据资料为三重冗余可自诊断并重构。且在地面测试时可实现自动监测。从这些信息来看，重型猎鹰在飞控系统上的可靠性是极高的，并己向智能化发展。

3.整箭结构

三个猎鹰9芯一级绑一起真的像串天猴绑一块吗？非也！先看看宣传片，两个助推，一个芯一级都是要回收的。这就像三个智能的小家伙合力推举二级飞行，任务完成自动解散。这是通用化和组合化设计优势的一大体现。

4.助推分离

重型猎鹰火箭的助推器分离和一二级分离均采用了“冷分离”机构，助推器分离，发生于火箭起飞后2分33秒时，这是重型猎鹰火箭最难的一个环节之一，也是SpaceX从未尝试过的一个环节，但是SpaceX限于经费，助推器侧向分离只能进行仿真分析，无力进行试验。

由此可见,SpaceX在运用仿真迭代这方面的技术优势。此外，猎鹰系列火箭由于要回收，所以一直采用无损的冷分离模式（冷氮喷射，机械式推杆等），目前猎鹰9已执行近50次发射，从未出现过分离机构失效导致的事故，实际可靠性100%，证明在冷分离技术上，猎鹰也有很高的技术成熟度。

(第四小节部分内容参考公众号航天爱好者文章炸平发射台还是成为现役运载火箭之王，今晚或见分晓！)

六、结束语

今天全球的人类在憧憬火星之旅。

今天Space X的工程师们在雀跃欢腾。

今天世界的航天格局被改写。

中国的航天人在激动之余，我想更应该多的是对对手的敬畏。更应该想的是中国航天的未来该如何发展。我希望看到的不是用嘴巴去贬低别人的努力，而是切实的向优秀先进学习。

再次声明由于水平有限，错误之处请大家指正。再次感谢各公众号作者的素材。