Falcon9 百发特辑——从历次任务手册里能看出点什么？|spacex|任务手册|卫星|推进剂|火箭|飞船

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编者按

Falcon 9系列百发了！随着今天早上7:24（北京时间）第三代GPS导航定位卫星第4发发射，Falcon 9系列已经完成了100次发射的壮举。从2010年6月4日到2020年11月5日（UTC），10年5个月又1天，Falcon 9系列已经释出百次发射。

这里的Falcon 9系列是笔者提的，它包含了三发Falcon Heavy，不包括2016年9月1日在发射台爆炸的那发。

之所以这么提，是因为，Falcon 9火箭，LEO能力从最早9900kg的v1.0，到10450kg的v1.1，再到22800kg的v1.2，能力提高了1倍有余，既然把它们都称为Falcon 9，那为什么不能将Falcon Heavy纳进来统一称为Falcon 9系列呢？

国内在2019年4月20日在长三甲系列火箭荣登百发俱乐部之际就进行了一系列纪念活动。人类爱用100这类整数，除了好听好记之外，还可以认为，100发代表了型号的成熟。

在成熟之际，从技术角度盘点一下Falcon 9系列走过的路，既是作者内心的热爱驱动，相信也会给其它爱好者以参考。

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前言

SpaceX成为业界关注的焦点久矣，也一直是航天爱好者们的讨论热点，因为其种种成就也好、爆炸也罢，总之都是能吸引眼球的。为什么一直讨论SpaceX呢？一方面是其确实出色，一方面是因为其相对开放透明的对外策略：每次发射前有press kit，有视频直播，有大佬在社交媒体的表现等等，有哪个公司、哪个国家的火箭有这么公开透明的？自己牛，还开诚布公地告诉你牛在哪，那才是真的牛！

本文要关注的就是这个press kit，直译过来是新闻资料袋，实际上就是个对外发布的任务手册，包含有空间任务的一些基本情况。业界总在讨论Falcon 9火箭产品开发快速迭代、不断改进，这个小册子里应该或多或少会有点体现，前期尽可能的搜集了SpaceX入轨发射任务的所有的任务手册（官方发布的手册截止到DM-2/Crew Dragon发射，共计86+3份），就让我们来看看能有点什么收获吧。

任务手册里有什么

任务手册并不是SpaceX独有的，很多国外火箭一些可以公开的任务都有press kit，国内的也有，只是不在网上对外发布，顶多是做成彩页放在指挥大厅里给领导们过目吧。

在早期时，SpaceX的任务手册内容很丰满，有火箭、载荷、发射场、大工程背景、科学项目、公司、领军人物等各种信息的介绍，笔者关注的火箭这一部分，有详细的射前准备流程、飞行时序、发动机性能等信息，随着Falcon 9火箭的不断成熟，press kit的内容也在不断缩水，许多重复的内容都省略了，甚至在DM-2/Crew Dragon之后就停止了发布。下表给出了几型典型火箭、几次任务手册的内容对比情况。

再结合space launch report网站整理的发射简报，每发任务的时序、目标轨道、载荷重量都能了解个八九不离十。

表任务手册包含内容的对比

从任务手册我们能收获什么

3.1

数说Falcon 9/H发射记录

我们通过对Falcon 9/H发射记录进行多维度的梳理与统计，由数据分析揭示SpaceX的发展历程，这些维度包括：发射轨道类型、不同首区发射次数、历年发射次数、任务性质、各型号版本发射次数、发射载荷质量（若无特别说明，一箭多星按单次发射的总重计）等多个方面。

LEO任务占比约50%，GTO(+/-)任务占比接近30%，其他任务约20%。

南射向发射大倾角轨道（如：二代铱星组网）一般在范登堡空军基地（VA）进行，占比约15%；东（北）射向任务（如：国际空间站补给、GTO）均在卡纳维拉尔角/肯尼迪航天中心进行，占比85%。

在2016年后，发射量基本达到2位数，2018年达到21次，2020年有望创造新的纪录。

政府发射任务占比约40%，主要包括NASA 商业补给服务（CRS）20次以及空军、NRO、国防部的任务。

虽然随着任务数量的累计，政府发射任务的比例呈逐渐降低的趋势，但这也一定程度上说明在研制早期，政府订单对SpaceX的强大支撑作用。

2019年之前，商业发射以GTO商业卫星、铱星为主，在星链项目进入组网发射后，其发射次数和占比短时激增，已占到总商业发射的20%，而且长远来看还将高速增长，其自身创造发射需求的特征非常显著。

早期版本的v1.0和重型发射数量很少，二者之和也不及两位数，v1.2大量发射，达到总量的约75%。

在56次LEO(/ISS)任务中，有47次任务的载荷超过5t，23次为龙飞船CRS任务，15次为星链，8次为铱星。

在所有发射载荷中，60%以上大于5t，小于1t的只有5次。单次发射载荷质量最小的是TESS深空探测器（0.35t），最大的是星链一箭60星组批发射（15.6t）。

在30次GTO发射任务中，50%超过5t。

进一步对GTO任务进行主载荷单星质量的统计分析，可见Falcon 9主要承担的是5t级一箭一星任务，单星质量小于4t的占30%，小于3t的占12%。

从上述统计，可知：

Falcon9主要承揽的是LEO（含部分大倾角、非SSO的任务，如二代铱星）和GTO任务；简而言之SpaceX用一型火箭包揽了别人家好几型火箭的任务；

主要在卡纳维拉尔角/肯尼迪航天中心进行发射，占比约80%；

以CRS任务为代表的政府发射订单对SpaceX有强力支撑作用；

作为初始版本的v1.0与中间版本的v1.1，在有限的发射次数后，即停产弃用；

GTO载荷5t级（含以上）居多，占到70%；

近年来，星链项目发射需求激增，SpaceX自身创造发射需求的特征非常显著。

3.2

Falcon9构型发展历程

Falcon9发展历程所涉及的主要参数见下表。

表 Falcon9火箭发展历程所涉及主要参数

注1：二级长度包含了级间段；

注2：一级Block1到Block2长度增加与推进剂增加比例关系较为特殊，可能和部段优化与发动机混合比改变有关；

注3：起飞推重比未包含载荷与整流罩。

下图给出了三个版本对比的示意，其中：

v1.0即Block1，F1-F5，发射了5次；
v1.1即Block2，F6-F20，发射了15次；
v1.2可细分为Block3-5三个版本，由于在后期出现了回收的老版本一级+高版本二级混搭使用的情况，故一般笼统称为v1.2，F21-F81，发射了61次（不含重型发射的3次），F55为Block5构型首飞。

从图表中可见，各版本间的主要区别在于发动机性能（推力、比冲）增加、子级长度/加注量增加，这种改进未必能通过飞行时序直接表现出来，与国内火箭发动机不变、单纯增加子级长度，继而延长该级飞行时间有所不同。

从v1.1开始，进行了一级垂直回收试验，并在F21和F23分别取得首次陆上、海上回收成功。

“航天爱好者网”给虫的文章《猎鹰9号进化史——走向多次复用的设计变革》详细介绍了三个版本的差异，笔者筛选了可能在任务手册中能够映证的4个项目如下：

一级发动机节流能力的变化；
级间段长度变化（二级发动机喷管增长）；
采用过冷推进剂；
一级重复使用的频率。

3.3

按型号改型版本解读

按型号三个版本进行关机时间的对比统计，见下图，可见一级关机时间140~180s不等，不仅和型号版本有关，从v1.1开始陆续进行一级回收试验，一级关机时间与是否回收，是陆地回收还是海上回收也有关系。

在F4、F5任务手册中，明确描述了一级两台发动机提前关机，起到关机过载控制的作用，在v1.1型首飞的F6任务中提及在接近一级关机时，发动机进行节流以控制关机过载。

二级工作时间，基本与3.2表中所记录的350~400s相符，有部分超出此范围的子样，可能和使用过冷推进剂、目标轨道/载荷质量差异、发动机节流、部分时序数据仅精确到分钟等因素综合作用有关。

最大动压时刻发生在60~85s区域内，与每次具体飞行方案有关。

对于有多次启动的任务，统计了滑行时间：以发射GTO任务滑行1000s左右的居多，其次是采用滑行约半个轨道周期（2500s）、霍曼转移方案的二代铱星、星链等近地轨道任务，滑行时间最长的是GPS导航卫星的发射任务（未将Falcon 9H的一并统计，Falcon 9H-3二级执行了4次启动，滑行时间累计11879s，>3小时）。

从二级关机到载荷分离所间隔的时间，多集中在几十秒~几百秒不等，GPS导航卫星和星链发射任务则相对较长，达到2800s和近1000s。即便考虑末速修正和调姿定向，几百秒以上的时间也显得冗长，综合考虑可能是出于分离点测控条件的考虑，以GPS导航卫星发射为例：二级关机点位于澳大利亚南部上空，星箭分离点位于美国西海岸西南部上空。

在一二级分离附近，从一级关机到分离、从分离到二级启动，两个相对时间信号取值分布见下图。可见前者 3-4s居多，关机后效结束执行分离，在v1.1前两次飞行中，取了7s和5s，可理解为新改进发动机，保守多留了几秒。

Falcon9级间分离是冷分离，作动杆反推，从分离到二级启动的时序设计，理论上和级间段长度（分离行程）、一级剩余推进剂质量、分离力（分离速度）应有关系，图中数据的表现并不能支撑相关推断。v1.2首发F21取值11s，同前述还可解读为硬件改进后首发的保守，但之后在多发稳定在7~8s中，还夹杂着一拨1~4s的，难道与一级复用的情况有关？类似的相对时序，在国内的型号固化之后，毕竟经过地面试验、飞行考核后，若无太大必要，改它作甚？

3.4

多星分离时序

SpaceX承担的一箭多星发射任务，占到总任务量的约1/4，比较典型的有：二代铱星、星链等，多次启动实施差异化轨道部署的较少。下表列出了多星发射任务载荷分离时段的基本情况。相比之前对星箭分离的认知，还是有不少值得琢磨之处，比如：一箭10星发射二代铱星，间隔约100s才分一颗出去，有什么特殊的考虑吗？国内似乎没见过这种模式。星链走的是另一个极端，一大坨丢出去，自己分去吧。

表 SpaceX一箭多星发射载荷分离时段

以下图例给出的是F65 Spaceflight一箭64星拼车发射任务，载荷分离的动画截图，不过该次发射任务多星分配器是由Spaceflight公司承制的，SpaceX并未负责多星分离的设计与实施。

3.5

射前准备流程

射前时序变化，主要是加注、预冷、增压，其他的信息过少，射前关键工序时间对比情况见下表。

表 SpaceX射前关键工序时间对比

综合而言：

加注时序大致经历了约-4h/-3h/-1h/-0.5h开始加注四种状态，相应的完成加注时间有-3h/-1.5h/-0.5h/-0.25四种状态，并在Block5版本上达到极致（Falcon 9H的加注时间相比Block5略有提前），可见随着过冷推进剂的使用，射前流程安排在不断的压缩，以期发挥“过冷”的效果；但似乎在加注流程安排上也存在一定的反复，即F21-F28期间已试验了-0.5h状态，但在Block5之前又回到了-1h状态；

射前预冷从F27开始，从-10m->-7m；

射前增压从F21开始，从-40s->-1m，可能是加长箭体后，气体需求量增加。

3.6

一级回收段解读

Falcon 9从F6开始进行再入返回减速试验，到F21首次陆地回收成功，再到F23首次海上回收成功；截止目前，Falcon 9/H总共进行了78次一级回收尝试，67次成功，为回收配备了两个海上平台、三个陆地回收着陆场，基本情况统计见下表。

表 Falcon 9/H一级回收基本情况统计

注：*FH-2芯级成功着船，但随后发生倾倒，未计入成功案例。

除Falcon 9早期版本以及计划中的不出驳船以外，一级工作时间与回收距离的关系基本如下：

表 Falcon 9一级工作时间与回收距离

注：表中的一级工作时间与回收选择的关系仅代表大多数的情况，还有些比较特殊的飞行子样，在后续章节按主要任务类别解读时再尝试解读。

其中陆上返场、近海回收需要在一二级分离后进行返回机动、减速机动和垂直着陆机动三次机动；远海回收只执行减速和垂直着陆两次机动。

Falcon 9H两个助推器大致工作150s，芯级通过节流工作180~210s，芯级回收点航程较Falcon 9一级较远，最远达到过1200km（F9H-F3），三次芯级回收均未成功。F9H-F1的芯级还执行了类似近海回收的返回机动程序。

海上驳船是个好的选择，大大提升了回收选点的灵活性，比内陆发射，航线下建回收场坪要灵活——能力够返航到300km的，就不必让驳船开出去那么远，推进剂留那么多不如用掉好了，能力不富裕的就让驳船开到600km等着。话说SpaceX养四条船伺候火箭也是下了本钱了。

2020年2月17日，F-82 星链第5次组批发射一级未能成功进行海上回收；3月6日，老马在社交媒体上发文称是错误的风场数据导致的回收失败，这引发了回收段会使用测风数据的猜想，可能会调整一级上升段方案或在下降段考虑风的影响，提前让船移动到指定位置等待，也可能两者兼有之。

通过任务手册的数据，也能对部分任务的回收段时序有所认知，按陆上回收、近海回收和远海回收分别进行了图例绘制，可知：

A）对于陆上回收，一般在级间分离后20s内进行返回机动，390s左右进行再入减速机动，在起飞后约450~600s左右完成着陆动作；

B）对于近海回收，一般在350~400s左右进行再入减速机动，在起飞后约500s左右完成着陆动作；

C）对于远海回收，一般在380s左右进行再入减速机动，在起飞后约500s左右完成着陆动作。FH-F3的芯级回收距离最远，达到1200km+，故相应的时序发生最晚。

3.7

一级复用情况统计

从2017年3月30日第一次使用二手一级火箭开始，到2020年 F81为止，Falcon 9一子级复用的基本情况如下表所示。可见在80余次的发射任务中，有接近70%都使用了复用一子级。一子级从编号B1046开始为Block5版本，之前的版本未有使用超过两次的记录；而全系列Falcon 9火箭一子级目前总共生产数量约60个左右。

表一子级复用的基本情况

从复用时间间隔来看，最短间隔时间50天，最长619天，平均值167天，尚未出现1个月内复用的情况，说明真正意义上的快速检测、复用可能仍处于研究与试验中。

表一子级复用间隔时间统计

2020年2月初，SpaceX的工程师在卡角肯尼迪航天中心做了简短的演讲，涉及以下主要信息：

翻新Falcon 9一级需要1个月的时间；
成立了类似于民航客机检修的箭体翻新小组；
芯级回收以后只留在发射场当地的厂房中，基本不会跨州使用或返回霍桑的工厂；
翻新过程中，需检查连接部位和焊缝，并确保所有的航电设备都工作正常，检修工作要求非常细致，所以耗时较长，团队尚在实践中摸索。

2020年3月18日，第6批星链组批发射，首次使用了五手一级箭体，编号B1048.5，使复用次数达到新的记录——5次，是当初宣称的小规模翻修节点，但在一级飞行末段，外围的1台发动机发生故障，一级回收也出现问题未能够成功着船。在发射前夕，Shotwell表示，公司不再对Falcon 9火箭一级进行设计改进，同时不打算复用一级超过10次以上，但不排除进一步改进火箭二级的可能。

2020年6月以来，在星链带来的高密度发射中，B1049与B1051均实现了6次飞行；B1058把复用时间缩短到50天。

2020年8月31日，马老板在推特上称将会在Starlink任务中将猎鹰9的复用次数推高到10次。

3.8

按主要任务类别解读

Falcon9/H执行的100次发射任务，一半以上任务均采用了多次启动，多次启动技术大大提升了发射任务灵活性，只有国际空间站、星链等轨道高度较低的发射任务未应用多次启动技术。

3.8.1 国际空间站（ISS/LEO）任务

2020年3月7日，发射的CRS-20任务，是SpaceX执行的第一阶段“商业补给服务”（CRS）合同的最后一发。可以说SpaceX是从承担CRS任务起家的，有20余次的飞行都是和国际空间站相关的。在这20余次的飞行中，两级火箭连续工作时间500~600s，发射高度较低的LEO任务是比较合适的。若有一型液体火箭，打这种轨道，主动段总共才400s，二级要用到短时滑行+二次启动，笔者倒觉得有点奇怪了，毕竟只有采用固体发动机技术的型号才可能需要这么干，比如全固体的，或是固液混合的（如：Antares发射天鹅座飞船）。

货运龙飞船质量（含2t左右的补给物资）一般在8t左右，在回收技术成熟后利用富余运载能力实现一级陆上回收，也有几例比较特殊的情况，采用了海上回收模式，具体原因不详，首次海上回收成功就是F23 CRS-8/Dragon10任务。有两次任务（F-71、F74）主动段时序仅有2s的差异，但分别采用了陆上和海上回收；另，F-69执行的载人龙飞船试验任务，飞船重12.5t，采用的是海上回收模式。

CRS合同不仅仅是一个发射合同，是火箭+飞船的打包销售合同，其针对的是“俄罗斯联盟火箭+进步飞船”的组合。通过这20余次任务所开展的研制、试验与改进，SpaceX不仅做到了火箭部分重复使用，也做到了飞船部分重复使用，开启了航天业内重复使用的新模式。

3.8.2 二代铱星（Iridium NEXT）组网任务

铱星系统是低轨全球移动通信系统，总计66颗卫星，分布在6个近地轨道面上，1998年完成部署。第一代铱星部署（含补充星），选用了4型火箭：其中60颗，以一箭五星的方式由Delta2 7920-10C重型发射12次完成部署；21颗，以一箭七星的方式分3次由Proton-K/DM-5发射完成；剩下的，都以一箭双星的方式完成，CZ-2C/FP发射了6次，Rockot/Breeze-KM发射了1次。

二代铱星计划，于2007年启动，只选用了一型火箭进行发射，就是SpaceX的Falcon 9，主要以一箭十星的方式发射入轨，组网任务耗时2年时间发射了8次，共计75颗卫星，采用了二级长时间滑行+远地点二次启动、发动机短时间工作的发射方案，由于二次启动的速度增量需求很小，Falcon 9二级的大推力发动机工作时间很短，最短3s最长11s，而且可能还是节流状态，不知国内的泵压式发动机有没有最短工作时间的限制。

在8次发射任务中，有三发没有回收（没出船），但其中的两发执行了再入减速和落海动作，可能是进行回收子样累计试验。

3.8.3 地球同步转移轨道(GTO/GTO+/GTO-)任务

2013年12月，Falcon9火箭F7发射SES-8卫星是其首次GTO任务。在总计30次的GTO任务中，对重量不同的载荷采取差异化策略，通过一子级回收/不回收、远地点高度调整（GTO-/GTO/GTO+）多种组合满足用户和重复使用的需求。

Falcon9是市面上罕见的可适应主流GTO载荷的两级串联、且不用氢氧动力的火箭，无论是美国自己的Delta、Atlas，俄罗斯的Angara、Proton，欧空局的Ariane，日本的H-2，还是国内的CZ-3A系列、CZ-7A等，都不符合这1条，要么用了更多的级数，要么用了氢氧动力。这说明Falcon9在结构轻质化、发动机综合性能方面已经达到很高水平，牢牢抓住了“火箭”的根基——“火箭”源于中国，古人在给这屁股冒火、飞在云端的物件起名字时就已预示了其根基所在：火箭，一要有“火”，二要有“箭”的实体；火不就说的是发动机吗？箭说的不就是箭体结构吗？加上多次启动的技术，更是如虎添翼，成为一型“包打天下”的产品，不用再加个三级或是四级了。

体会和认识

4.1

SpaceX的发展离不开官方的实质性支持

从某种程度上来说，SpaceX是美国ULA和俄罗斯垄断美国政府发射任务格局下的受益者——美国官方用于航天发射、空间站补给、航天员天地往返的预算与这两大巨头开出的价目表不匹配，而后者还天天叫唤着涨价，可笑的是十几年前ULA就是打着整合资源、降低发射成本的名号成立的。美国官方管不了ULA和ROSCOSMOS，这才有了CRS等政府主导的商业航天合同。

先不说人才、技术、政策的支持，仅从经费角度而论，不管是在Falcon 9投入使用的早期还是近几年嗑药式的大爆发，SpaceX发射的政府任务均占较高的比例，虽然已经从五成降到三成左右，但这也说明已经从依赖输血转变为可以自己造血了。

4.2

中国商业航天的环境与美国不同

中国国内的情况不一样，两大航天集团本身就是央企，还是名单上排名前五名的，能不讲政治嘛？能随便涨价嘛？业内人都知道，宇航发射是不怎么赚钱的，甚至一些特殊情况还得赔本赚吆喝；垄断型号除外，垄断在哪都是一样的吃香喝辣。

航科集团本身就有1、8院搞宇航发射，再加上什么“皮包”火箭公司、科工的快舟系列，还有外部资本支持的民营航天，行业内竞争很厉害，一点点发射服务的经济指标着实不够分的。

4.3

商业航天的产品定位与目标

卫星市场才是整个航天产业的大盘，所以SpaceX搞火箭只是个开胃菜，星链才是正餐。殖民火星呢？不知道，老马总能给人惊喜，姑且算是道令人期待的surprise甜点吧。

SpaceX的定位和产品研发路线很明确了，扬长避短，不做小玩意，要搞就搞大的，减少型号种类。Falcon 1负责演示验证，Falcon 9包打近地轨道，龙飞船解决空间站往返问题，BFR包打火星，星链包捞钱。

4.4

未来还能搞点什么？

发射入轨服务是运载火箭传统领域的业务，以后还要搞什么？更大的火箭、完全重复使用的火箭、太空旅游、洲际航行、卫星星座、空间站货运补给、卫星抢救飞行器、太空电梯？目前来看拓展新领域的尝试很艰难，要想守住已有的阵地都很困难，但不拓展生存空间恐怕于情于理都说不过去。

马拉松20km/h，快马800里加急40km/h，汽车100km/h，高铁300km/h，民航800km/h，？？？，火箭飞船卫星27000km/h——从民航直接过渡到火箭，跨度过大，总感觉中间欠缺了承上启下的一种5k到10k级的交通方式，类似协和飞机那样的超音速客机还是亚轨道旅游飞行器？

4.5

产品成本真的能降低吗？

航天是个小众行业，在国内的圈子就更小了，配套厂商、试验场地，可供选择的很有限，即便尽可能的杜绝了单一供应商，引入竞争机制，产品成本真的能降低很多吗？成本高的原因就在于市场小、需求小、批量小，不像搞外贸加工的，订单多啊、受众广啊、需求量大啊。另外，行业寡头的存在，存在已久的利益链条，只有出现掀麻将桌的玩家，才能倒逼全行业重新洗牌，（有感于公众号“千域空天”：《》中关于传统卫星制造商关于减少Teledesic星座卫星数量维护既有利润一事）可是“拖家带口”的，真的好转身吗、能转身吗？

总结

本文对搜集到的SpaceX Falcon9/H任务手册进行了内容整理，结合发射记录、发射简报的情况，从发射记录解读、飞行时序、射前准备时序、任务分类统计等多个维度，回顾了Falcon9火箭发展历程、多星分离、射前准备流程的演变、一级回收复用等颇具特点的方方面面，有以下主要认识和观点：