獵鷹9火箭和中國的長徵五火箭，到底誰才是航天界「大力士」？
2020-08-06 魑魅涅磐SpaceX公司的獵鷹9運載火箭憑藉一級火箭可回收使用成為了航天界的「當紅辣子雞」，並且近幾年還先後成功實現了載人龍飛船的歷史壯舉，可以說當下的SpaceX活脫脫就是一個迷你版的「NASA」。其中最令航天界震驚和重新審視這個新手的就是其首創並一路領先、且改變航天格局的「火箭回收重複使用機制」。
獵鷹9火箭發射
獵鷹9一級火箭回收著陸
SpaceX之所以搞一級火箭回收機制說白了就是為了降低航天發射成本，因為在獵鷹9成功實現火箭回收之前，所有的航天發射載具中除了太空梭外都是「一次性」的，而在整枚火箭的總成本中，一級火箭又因為裝備了數量更多的火箭發動機而成為整個火箭發射部件中「最貴的部分」，所以對於SpaceX而言，在一級火箭還沒成功回收之前，雖然SPaceX已經能夠自己生產包括火箭發動機、箭體結構、控制系統、整流罩等高成本部件，但是單次發射成本依然高達6000萬美元以上。但是從每次火箭發射消耗品來說，也就只消耗燃料，剩餘的部分都在發射成功後被無情的拋棄，但是對於獵鷹9火箭而言，雖然其單枚火箭發射成本高達6000萬美元以上，但是唯一消耗的火箭燃料卻只價值20-30萬美元。
起飛前的獵鷹9火箭
所以對於SpaceX而言，如果能夠將剩餘的部分全部回收多次重複使用的話，那麼單次火箭發射成本理論上將降低到極低的20萬美元/次。但是對於獵鷹9火箭而言，雖然其只是一個二級結構的中型運載火箭，但是也因為二級火箭得等到與太空飛行器分離後才能回收，但是這個時候二級火箭無論是飛行速度還是飛行高度基本已經和所發射的太空飛行器一樣，所以想要直接回收二級火箭的難度不亞於直接回收衛星的難度。同時對於SpaceX公司而言，二級火箭雖然回收難度最難，但是二級火箭的成本並不高，因為獵鷹9是一枚二級結構的火箭，整個火箭在發射過程中大部分都是由一級火箭推動的，所以裝有多達9臺梅林1D液體火箭發動機的一級火箭回收價值更高，那麼對於SpaceX公司而言，如果能夠成功回收這個佔據整枚火箭建造總成本68%的一級火箭的話，那麼對比之前6000萬美元的發射成本，單次火箭發射成本可以低到4000萬美元左右，並且隨著這個成功回收的一級火箭重複使用次數越多，火箭的發射成本就越便宜（雖然重複次數越多發射可靠性越低，但是價格也更感人啊）。
獵鷹9二級火箭和太空飛行器分離
準備發射前的獵鷹9火箭
獵鷹9一級火箭成功著陸海上駁船
而且後面SpaceX全新開發的龍飛船、星艦無論是在回收機制還是等其他方面來說，都延續了之前獵鷹9火箭更多的可回收、更儘可能的降低發射成本的方式。比如相比獵鷹9火箭現階段只能回收一級火箭和整流罩而言，龍飛船直接放棄整流罩來降低成本、全新開發的星艦更是全部100%的回收啊，可以說星艦就是奔著只消耗燃料的目標發展的。當然縱觀SpaceX在獵鷹9以及後面的龍飛船、星艦的發展模式上，都始終嚴格貫徹「商業化發展中儘可能的用更低的成本實現更大的利潤和更高的營收佔比」理念。
載人龍飛船
星艦發射想像圖
我國的長徵系列運載火箭發展到現如今的長五大型、長七中型、長六小型三款新一代運載火箭時代，雖然三款火箭發射重量、發射載荷各不相同，但是三款運載火箭依然在箭體結構、液體火箭發動機這幾個關乎成本、技術難度等因素上實現了通用化，而且長五、和長七也能通過捆綁不同數量、不同直徑助推器、是否有二級、三級火箭完善了不同軌道高度、不同軌道發射載荷的模塊化設計理念。可以說在長五、長七、長六這三款火箭上，我們看到的也是和獵鷹9火箭一樣的儘可能的從設計角度將低成本理念融入進去的發展理念。
中國新一代火箭家族成員
作為對比的話，首先我們明顯可以看出雖然長5在近地軌道發射重量上要比獵鷹9火箭強一些，也就是說從實際發射能力來說，長5依然是碾壓獵鷹9的，但是從整個火箭發射理念來說，獵鷹9火箭反而更適合未來火箭發展。
長徵五號運載火箭發射
獵鷹9火箭發射貨運版龍飛船
比如獵鷹9火箭雖然理論上近地軌道最大22.8噸的發射載荷和長徵五號25噸的近地載荷相差不大已經站在同一條線上。但是從以往多次發射記錄來看，長徵五號運載火箭此前已經成功發射了重量高達14噸的新一代載人飛船試驗船，並且計劃在2021年就發射我國天宮空間站第一個重達22噸的天和號核心艙段，而且長徵五號基本型如果不考慮可靠性的話，理論上近地軌道最大發射載荷高達32噸。雖然理論上長五基本型擁有近地軌道最大32噸的載荷，但是這是在降低火箭推重比和火箭結構降低發射可靠性前提下完成的，畢竟長五基本型的二級半結構只是為了應對東方紅五號最大14噸載荷而刻意設計，所以其雖然有能力實現近地軌道最大32噸的發射載荷，但是對於近地軌道發射主要還是由一級半結構的長徵五B完成。而且長五從北緯19度的海南文昌航天發射中心發射時，發射軌道傾角高達42度，所以我們看到長徵五號火箭是往東南方向飛的，更大的軌道傾角意味著需要消耗更多的燃料或者需要降低更多的發射載荷，而且長五近地軌道對應軌道高度為200×400km的橢圓軌道。所以可以看出就現階段長徵五號近地軌道25噸的實際發射能力也是更貼近於公開的近地軌道最大25噸的發射載荷；
長徵五號運載火箭發射
中國新一代載人飛船試驗船
天和號核心艙段
長徵五號發射近地軌道太空飛行器往東南方向飛行
而獵鷹9運載火箭雖然公開其擁有近地軌道最大22.8噸的發射載荷，但是在過去幾十次發射中，獵鷹9從未真正發射過重量超過20噸的太空飛行器，迄今為止發射過最重的就是2019年雙11發射過總重高達15.6噸的60枚通信衛星，並且這60枚星鏈衛星只是發射到280公裡的亞近地軌道，就算距離近地軌道最低380公裡高度還有一百多公裡呢。而且獵鷹9運載火箭理論上最高22.8噸的發射載荷是以從北緯28.5度的卡角往正東方向發射，發射傾角在28度，軌道高度也只有185×185km。所以從實際發射能力來說，獵鷹9雖然在理論最大發射重量上和長5站在了同一條線上，但是實際發射記錄中卻也真實暴露了獵鷹9火箭的真實水平高低。
獵鷹9火箭發射60顆星鏈納米衛星
獵鷹9火箭往正東方向飛去
再一個從理論角度來說為什麼發射載荷不如長5的獵鷹9反而能夠鹹魚翻身呢？因為從火箭發射方向來說，未來的火箭發展方向肯定是朝著低成本、高可靠性等方向發展的，那麼獵鷹9火箭首創的回收降低發射成本理念首先是走正確了方向，其次獵鷹9火箭通過已經成功多次的回收也奠定了SpaceX在回收火箭上的先行優勢。
一級火箭回收成功的獵鷹9運載火箭
但是對於長徵5號運載火箭而言，其自身捆綁形式和助推器發動機數量、推力大於芯級推力的構型，也註定了長徵五號運載火箭天生無法進行回收的可能。因為對於長徵五號運載火箭而言，其一級火箭芯級只有兩臺YF77氫氧火箭發動機，而捆綁的四臺助推器卻有8臺YF100液氧煤油火箭發動機，而且對於芯級的兩臺推力只有50噸的YF77火箭發動機而言，單臺發動機推力過低，根本無法也和獵鷹9火箭一樣通過火箭發動機多次點火來實現芯級回收可能，同樣對於捆綁的四臺助推器而言，其雖然單臺發動機推力高達120噸，但是過多的捆綁器數量也直接降低了其重複使用的高可靠性。
長徵五號兩種結構圖
總結而言，對於SpaceX公司的獵鷹9火箭和中國的長徵五號、七號系列火箭而言，獵鷹9火箭憑藉自身構型和大量使用商用化概念和零部件在航天理念上戰勝了長徵五號家族，而長徵五號火箭雖然在理念上沒有獵鷹9那麼先行，但是卻實打實的用自身的真實力展現了中國航天的國際地位。
長徵五號發射
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