小火箭出品
本文作者：邢強博士
本文共8849字， 97圖。 預計閱讀時間：1小時。
本文是小火箭對SpaceX公司的火箭和飛船從飛行器總體設計和商業運營角度進行剖析的系列文章的第6篇。
自2015年起， 小火箭從彈道、動力、制導控制系統和可回收運載火箭的柵格翼、成本分析等多個領域對SpaceX公司的獵鷹系列運載火箭與大家一起進行了探討。
如今， SpaceX公司的獵鷹9號運載火箭的Block 5 版本高調出場。
這個改進型號被稱作“目前最理想的可回收運載火箭”“有可能跨進重複使用100次門檻的火箭”。
那麼， 獵鷹9號運載火箭的Block 5 版本相較於之前的火箭有哪些改進？
（改進程度之大， 讓小火箭覺得有必要再次為獵鷹9號火箭開啟新的話題。 ）
在可重複使用運載火箭的運載能力與運營成本的論題上， 大家一直以來非常關注。 今天， 我們再次進行認真分析。
文章後面， 稍微提一下最新版獵鷹9號運載火箭的首個訂單的來頭。
總體
獵鷹9號運載火箭的總體設計有一定的傳承性。 這款採用液氧煤油發動機的二級運載火箭有著不斷挑戰自己， 不斷給人們帶來新的驚喜的過程。
獵鷹9號運載火箭是SpaceX設計並且製造的中型兩級入軌系列運載火箭。 這個9號的得名， 並不是因為其之前還有6號、7號或者8號， 而是因為其第一級擁有9台發動機。
在今天之前， 獵鷹9號系列運載火箭有3個成熟型號：
獵鷹9號1.0版本（目前已經全部退役， 共發射5次， 成功4次）；
獵鷹9號1.1版本（目前也已經全部退役， 共發射15次， 成功14次）；
獵鷹9號全推力型（又稱1.2版， 細分為Block 3 和 Block 4 兩個亞型， Block 3亞型已經退役， Block 4 亞型目前正在使用中， 臨近退役。 共發射33次， 其中成功33次， 成功率100%）。
採用全新的加強芯級， 再並聯上之前普通版本的兩台芯級， 就構成了知名度頗高的重型獵鷹運載火箭。 （很多人甚至是在重型獵鷹問世之後才真正開始關注這個日漸龐大的運載火箭家族的。 ）
滑動上圖， 我們可以看到， 早期1.0版本的獵鷹9號運載火箭的個頭兒稍小， 高47.8米， 直徑3.66米（對應著英制單位中比較整的一個數12英尺）。
到了獵鷹9號火箭的1.1版本， 其高度就猛增為68.4米了， 推力也從1.0版本的4940千牛躍升為5880千牛。
了保證整個獵鷹9號運載火箭系列的生產工裝的繼承性， 獵鷹9號運載火箭家族的芯級直徑一直保持為12英尺， 也就是3.66米。
這一點， 各個航太大國的做法是類似的。 比如長征系列運載火箭的芯級和助推器的直徑就是5米、3.35米和2.25米3個系列（未來還會有10米級的直徑這第4種選擇）。
獵鷹9號運載火箭的1.2版本， 通常被稱作全推力版本， 也就是獵鷹9號FT火箭。 顧名思義， 推力火力全開了。 其一級最大推力達到了7600千牛。 火箭的總長變為70米。
就在大家以為獵鷹9號運載火箭在不進行芯級並聯的時候， 推力也就定格在7600千牛的時候， SpaceX公司推出了這款Block 5 型獵鷹9號運載火箭。
她的一級最大推力達到了8130千牛， 比全推力FT版本足足又提升了 6.97%！而且，
獵鷹9系列火箭採用了芯級通用的設計理念。 每個芯級都由9台梅林-1D發動機提供動力。
重型獵鷹運載火箭在發射的時候， 由27台發動機來產生推力， 其推力大小相當於15架波音747客機推力的總和。
注意上圖左下角等比例放置的一個小人兒。
動力
如此說來， 獵鷹9號系列運載火箭的改進， 其最為明顯的特徵就是動力的持續增強。
而能夠實現這一點， 可塑性極強的梅林發動機功不可沒。
從早期的梅林-1C到後來的梅林-1D， 再到現在的梅林-1D魔改。 獵鷹9號系列運載火箭的發動機的推力和推重比持續增長。
到重型獵鷹運載火箭升空的時候， 梅林發動機的單台推力已經達到了80噸量級。
到了現在的Block 5 升級版本，
而Block 5 版本的二級的單台梅林發動機的真空推力更是達到了914千牛（相當於93.2噸）。
這是什麼概念？
小火箭答：
梅林發動機看起來， 燃燒室壓力只有9.7MPa， 海平面比沖282秒， 真空比沖314秒。 這一切並不那麼驚豔。
但是這914千牛的真空推力是由一台只有470公斤重的發動機產生的！
也就是說， 梅林發動機的推重比達到了179.8:1。
據小火箭所知， 這是目前人類現役液體火箭發動機當中， 最為頂級的指標了。
如此高的推重比， 是獵鷹9號系列運載火箭得以取得優異性能的首要因素。 （另外的因素是箭體的總體優化設計， 這個後面再聊。 ）
獵鷹9號運載火箭Block 5 型的9台發動機的佈局沿用了FT型的形式， 也就是中心1台，一圈8台。
這是優化之後的結果。咱們在2015年探討過獵鷹9號系列運載火箭的動力冗餘技術，也就是9台發動機其中的任意1台壞掉，都不影響任務的完成。
在高空，再壞掉1台，也就是2台發動機壞掉，同樣能夠將載荷送入預定軌道。這裡不再贅述。
不過，這個中心1台，一圈8台的佈局的形成，不是一蹴而就的。
早期版本的獵鷹9號運載火箭的9台發動機是3行3列的佈局方式。此時的獵鷹9號火箭，已經具備了冗餘能力。
獵鷹9號 1.0版本
獵鷹9號 1.1版本
不過，這樣佈局的話，單台失效會有三種模式：
9台發動機，分為3類，分別是芯、角和邊。
這3個分類對應3種單台失效模式，也就需要準備3種制導控制系統預案。
改為中心對稱佈局之後，就只有芯和邊 這兩種失效模式了，可以極大地簡化制導控制系統的設計。
這種優化方案被Block 5 型所繼承。
箭體
箭體方面，小火箭先說箭體與動力系統的配合。
之前的9台梅林發動機是通過巨大的高強度鋁合金框架連接到一起之後，再焊接到一級箭體上的。
這樣做，雖然靠譜，但是一旦單台或者多台發動機出現故障，或者鋁合金框架出現不可逆的形變，整個一級火箭就得報廢了（維護維修成本高於複用利潤，不具備重複使用的商業價值）。
現在，Block 5 型進一步為了多次重複使用而升級。以前更多考慮的是重複使用的技術可行性，而現在則是面向單枚火箭可以重複使用10次以上來設計。
因此，Block 5 型的連接盤不再焊死在箭體上，而是用螺栓連接。今後一旦發現問題，就整體拆卸，更換連接盤。這樣整枚一級火箭還可以再次使用。
另外，為了能夠實現複用10次的目標，9台發動機之間的防熱護盾也改為可拆卸式設計。
說起箭體，Block 5 型火箭或許會成為所有獵鷹9號系列運載火箭中辨識度最高的改進型號了。
因為她的一二級級間段是黑色的：
上圖為整裝待發的獵鷹9號Block 5 型運載火箭。白色的一級和白色的二級之間的黑色部分非常醒目。
這是攝於2016年4月份的獵鷹9號運載火箭。她正準備向國際空間站發射貨運版龍飛船。
這種通體潔白的外形，會隨著1.1和FT早期版本的全部退役，而再也不會出現。
以後的獵鷹9號火箭，基本上就都是帶有一截黑色的樣子了。
關於這一截黑色，馬斯克本人的說法是：這樣會大幅提升火箭的美感。
當然，他也提到了SpaceX公司自主研發的疏水型防熱材料。
實際上，這種黑色是沒有噴塗任何塗層和油漆的防熱材料的本色。
這是一種返璞歸真的做法。剝離塗層能夠減輕箭體的重量，為進一步提升火箭的性能做出貢獻。
早些年，太空梭也是這麼幹的。
這是西元1981年4月12日，協調世界時12點00分03秒，哥倫比亞號太空梭執行STS-1任務時候的精彩瞬間。
我們能夠發現，這傢伙的液氫液氧外貯箱是白色的。
這是後來的發現號太空梭執行STS-120任務時，起飛升空的場景。
此時，太空梭的液氫液氧外貯箱已經變成了紅色。
而紅色，正是沒有刷漆的貯箱材料的本色。
當年，洛克希德·馬丁公司的工程師們，經過分析和計算，發現原設計當中用來反射太陽輻射，維持貯箱內部良好溫度環境的白色乳膠漆並無必要，乾脆不塗了。
之前，為塗好太空梭外貯箱，需要大量乳膠漆，而當時那個不刷漆的決定，為太空梭省出了272.1公斤的重量。
這個重量可不能小覷。要知道，即使是補貼價格，太空梭的每公斤發射成本也在1.16萬美元以上。太空梭是一級半入軌，如此算來，這個決策節省的發射成本在315.6萬美元以上。
因此，獵鷹9號Block 5 型的黑色級間段更多的意義不是酷炫（小火箭這把年紀說到這個詞，也是有些羞恥的），而是務實。
柵格翼
柵格翼和RCS反推系統是獵鷹9號系列運載火箭實現一級回收的關鍵。其姿態穩定和姿態控制要仰賴該系統的完美配合。
獵鷹9號運載火箭對柵格翼/舵的創新應用，是大家喜歡這款火箭的一個原因。流場計算：邢強。
而小火箭對獵鷹9號柵格翼的流場計算，也在3年前開啟了在產業科普和行業報告中，專門動用小火箭計算中心進行計算和分析的模式。
或許這也是大家喜歡小火箭的一個原因：不去翻譯和引用那些二手資料，而是通過建模和計算，給出原創的資料和分析。
這樣做，使得小火箭的報告完全迥異於所謂的“稿子”，付出了巨大的成本。好在大家很支援，因為我們都知道，不能每個人都當搬運工，怎麼說也得有人做技術的原創輸出。
上面視頻為小火箭計算中心給出的獵鷹9號運載火箭柵格翼的完全流場計算分析。
科學與藝術，在一個名為美的地方，相遇了。
這是SpaceX的工程師正在安裝調試柵格翼的場景。和真人比起來，我們對獵鷹9號的柵格翼的大小就有更加直觀的認識了。
這是獵鷹9號運載火箭鋁合金柵格翼的本色，也就是還沒有塗白色防熱漆的樣子，是金燦燦的。
為什麼非得要塗防熱漆呢？
小火箭用幾張圖來說明：
這是在飛行過程中的獵鷹9號火箭一級頂部的柵格翼。看顏色就知道很燙。
所以，一級火箭回收之後，最為慘不忍睹的就是鋁合金柵格翼了。
白色的防熱漆被強大的二級噴流沖刷掉，而鋁合金結構也往往會造成破壞，而難以多次使用。
於是，獵鷹9號運載火箭升級了柵格翼，材料採用更為耐熱的鈦合金。在之前發射新一代銥星的時候，有過嘗試。
如果好友們足夠細心的話，還能夠發現，在今年發射的重型獵鷹運載火箭上，兩側的助推器也採用了鈦合金柵格翼。（中間芯級的柵格翼依然是鋁合金的。）
上圖左側為老款柵格翼，鋁合金製成，外有白色防熱漆；右側為新款鈦合金柵格翼，沒有塗任何塗料。
鈦合金的強度更高，因此，也就是省掉了上圖黃框內的加強筋，在氣動上更加優化。而紫色限位孔的位置不變，方便對已有箭體的改裝。
從Block 5 開始，鈦合金柵格翼的設計狀態固化，成為標配。
Block 5 的最新版柵格翼，如果換個角度來看的話，更有趣：
支撐腿
獵鷹9號火箭的支撐腿是保證回收成功的關鍵。
舊版本的4條支撐腿，為了展開後固定得牢靠，在外部設計了閉鎖機構，一旦打開，就無法再自動縮回。
這設計，原本無可厚非，而且有助於可靠著陸。
不過，這可就苦了工程師們。
因為火箭如果需要再次使用的話，需要手動拆解閉鎖機構，重新讓伸縮腿復位。
這個說起來容易，實際操作的時候，12人小組，每次都要耗費4個小時才能搞定。
Block 5 型火箭把閉鎖機構設計在了箭體內部，由一個主作動器帶動8個小機構聯動完成，而且是伸縮自如的。
這樣，火箭在回來之後，只需派1名工程師，操縱主作動器，就能夠在10分鐘以內完成支撐腿復位工作。
該升級依然是面向10次複用的目標而設計的。
彈道
小火箭對獵鷹9火箭進行了建模，並採用多約束制導律複現了獵鷹9火箭的第一級回收彈道。制導演算法詳見小火箭在2012年的論文：
Xing, Qiang, and Wan. C. Chen. "Segmented optimal guidance with constraints on terminal angle of attack and impact angle." 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA. Vol. 257. 2012.
如果有更好的演算法，也可以將制導律或者模擬彈道發給小火箭一起討論。
這是獵鷹9號運載火箭的發射與一級回收的場景。
Block 5 型獵鷹運載火箭的彈道與之前的略有不同。
Block 5 型到達最大動壓狀態比FT的早期型號早了足足有8秒！這火箭的推背感十足。
一二級分離比早期型號早了15秒。小火箭詳細的彈道計算爭取後續補上。
可見獵鷹9號 Block 5 型運載火箭的推力富裕了不少。從二級彈道設計來看，二級不得不減小推力，以便讓載荷所受的超載不至於太大。
成本
可回收運載火箭的設計初衷，就是為了大幅降低火箭的發射成本，最終讓火箭發射業務進入新的商業化時代，讓無論是軍星還是老百姓的衛星都能夠發射得起。
這是重型獵鷹運載火箭的兩枚助推器同時陸上回收的場景。
受小火箭好友的委託，小火箭計算過獵鷹9號運載火箭實現可重複使用之後的成本和利潤。
總體來說，按運載能力和彈道反推的話，採用液氧煤油作為燃料的火箭的燃料成本約為採用常溫有毒燃料火箭成本的1/30。而如果拿煤油和液氫來比的話，那更會是1/100的量級了。（液氫的成本 會是煤油的100倍？為什麼會這樣？詳見小火箭的公號文章《液態氫，一匹桀驁不馴的野馬》）
而實際上，咱們甚至不用過於糾結於燃料的具體單價。因為燃料成本在火箭發射總成本中的占比實在是太小了。（火箭燃料在重量上雖然占火箭的90%以上，但成本基本上不到火箭發射總成本的1%，而SpaceX曾經在核算的時候，給出了0.4%的占比。）
也就是說，咱們去超市買了些吃的蘋果，花了將近100元，然後在收銀台買了一個4角錢的塑膠袋。火箭燃料成本占發射成本的比例就相當於這個塑膠袋與整袋蘋果的比例。
在這裡，咱們假設SpaceX公司把單次火箭發射的利潤鎖定為10%（這個應該足夠保守了吧。）
然後我來說一說小火箭是怎樣計算可重複使用的獵鷹9號的成本的。
按照小火箭的工程經驗和歷史資料，基本上火箭本身的成本占發射總報價的70%。另外的20%要給測控的弟兄們。
而對於一枚二級火箭來說，如果大家接受小火箭之前的設計和計算的話，會按照4.35:1的比例來分配二級運載火箭第一級和第二級的成本。
（具體為什麼這樣算，爭取以後單獨寫一個成本核算系列來解釋。）
好，本著SpaceX每次發射都保守掙10%的原則，按照其多次發射報價的平均值反推，獵鷹9號火箭（已經把保險相關費用算進去了）：
第一級的成本應該為3534.2萬美元，
第二級的成本應為812.4萬美元。
按現代航太發射和卡納維拉爾角場地租用的費用推算，單次發射的指揮、測控的成本為：1242萬美元。
利潤，咱們按報價的10%來保守計算，取621萬美元。
好了，那麼問題來了，每次回收後的檢測、維護保養可都是要有費用的。暫且將其設為X萬美元。
問：假如SpaceX公司要實現重複使用2次火箭，可將第2次發射的報價降低20%（打八折）的話，每次回收後的檢測、維護保養費用應該控制在多少錢以內？
小火箭在這裡和大家一起計算一下：
第一次發射，全新的火箭，第一級的成本為3534.2萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控的弟兄們1242萬美元，利潤為621萬美元。
報價就是6209.6萬美元。
第二次發射，成功回收了第一級，第一級的成本要和第一次發射的攤平，為3534.2萬美元的一半（注意，這裡不能按0計算，而是要用類似折舊的演算法了），也就是1767.1萬美元。第二級得新造一個，也就是還是812.4萬美元，給測控的弟兄們還得有1242萬美元。加上X萬美元的檢測維修第一級火箭的費用，第二次發射的總成本為（3821.5+X）萬美元。
鎖定10%利潤的話，報價為（3821.5+X）/0.9萬美元。
那麼，用（3821.5+X）/0.9=80%*6209.6，就可以求出：
X=649.4萬美元。
也就是說，按照小火箭的估算，如果獵鷹9號可回收火箭只能回收第一級，而且只重複用了1次的話，只要回收後的維護保養費用控制在649.4萬美元以內，第二次發射的報價就能打八折。
而我們不妨認為SpaceX公司對回收後的第一級火箭進行檢測和維修的總費用為295萬美元。這是基於現有技術條件下的比較樂觀的估計。
由此可見，火箭回收以後，第2次發射打8折是完全可以實現的。
或許有同學問了，既然檢修的成本也知道了，那麼咱們乾脆計算一下獵鷹9號火箭多次發射的報價會呈現怎樣的趨勢吧！
好的，小火箭滿足你。
第1次發射，全新的火箭。第一級的成本為3534.2萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控的弟兄們1242萬美元，利潤為621萬美元。
第1次發射報價：6209.6萬美元。
第2次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為1767.1萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為4116.5萬美元，利潤為457.4萬美元（成本的九分之一）。
第2次發射報價：4573.9萬美元。（是首次報價的73.3%）
第3次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為1178.1萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為3527.5萬美元，利潤為391.9萬美元（成本的九分之一）。
第3次發射報價：3919.4萬美元。（是首次報價的63.1%）
基本上，第2次就7折了，第3次6折，那麼，第4次會是5折（半價）麼？咱們繼續算算看：
第4次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為883.6萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為3233.0萬美元，利潤為359.2萬美元（成本的九分之一）。
第4次發射報價：3592.2萬美元。（是首次報價的57.8%）
嗯，還算不上半價。咱們接著發射。
第5次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為706.8萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為3056.2萬美元，利潤為339.6萬美元（成本的九分之一）。
第5次發射報價：3395.8萬美元。（是首次報價的54.7%）
嗯，第5次發射依然難以稱得上是半價。接著來。
第6次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為589.0萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2938.4萬美元，利潤為326.5萬美元（成本的九分之一）。
第6次發射報價：3265.9萬美元。（是首次報價的52.6%）
6次發射了，依然沒能降到半價。
第7次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為504.9萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2854.3萬美元，利潤為317.1萬美元（成本的九分之一）。
第7次發射報價：3171.4萬美元。（是首次報價的51.1%）
第8次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為441.8萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2791.2萬美元，利潤為310.1萬美元（成本的九分之一）。
第8次發射報價：3101.3萬美元。（是首次報價的49.9%）
哈！第8次發射，終於能夠將單次發射的報價打半價了！但是，還別著急離開，繼續算下去，看看會怎樣。
第9次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為392.7萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2742.1萬美元，利潤為304.7萬美元（成本的九分之一）。
第9次發射報價：3046.8萬美元。（是首次報價的49.1%）
第10次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為353.4萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2702.8萬美元，利潤為300.3萬美元（成本的九分之一）。
第10次發射報價：3003.1萬美元。（是首次報價的48.4%）
第11次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為321.3萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2670.7萬美元，利潤為296.7萬美元（成本的九分之一）。
第11次發射報價：2967.4萬美元。（是首次報價的47.8%）
第12次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為294.5萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2643.9萬美元，利潤為293.8萬美元（成本的九分之一）。
第12次發射報價：2937.8萬美元。（是首次報價的47.3%）
第13次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為271.9萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2621.3萬美元，利潤為291.3萬美元（成本的九分之一）。
第13次發射報價：2912.5萬美元。（是首次報價的46.9%）
第14次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為252.4萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2601.8萬美元，利潤為289.1萬美元（成本的九分之一）。
第14次發射報價：2890.9萬美元。（是首次報價的46.5%）
報價這樣就是實在降不下去了。
其根本原因在於：對於第一級火箭的維護保養成本已經高於第一級火箭的殘餘價值，早該將這枚火箭送入博物館了。
按照這樣計算，再考慮折舊和可靠性的風險，實際上，這枚獵鷹9號可回收火箭在第10次發射之後就應該早早退役了。（維護保養的費用已經和第一級火箭的殘餘價值比較接近了。）
小火箭計算後的結論就是：
如果SpaceX公司能夠把對第一級火箭的檢測維修成本控制在295萬美元以內的話，同一枚火箭的第8次發射的報價將會是一次性火箭的一半。如果平均每一枚火箭能夠發射3次的話，報價可以變為原報價的63.1%。
因此，對於之前的獵鷹9號運載火箭，考慮到維護保養的成本和測控的成本，小火箭給出了14次複用的限制。
Block 5 型運載火箭，從技術層面上升級之後，會大幅降低維護保養成本，因此，其10次複用的目標還是有可行性的。
可以預見，獵鷹9號 Block 5 型運載火箭的發射報價，今後很有可能降到5000萬美元。
而10次一大修，單枚火箭可複用100次的目標，將會是Block 5 型新的奮鬥方向了！
訂單
SpaceX公司的獵鷹9號 Block 5 型最新版本的運載火箭的啟動訂單，由孟加拉擔當！
Block 5 型火箭的首單，發射的是孟加拉的首枚地球靜止軌道通信衛星。這顆衛星由泰雷茲阿萊尼亞宇航公司生產，造價2.48億美元（小火箭注：約合15.7億元人民幣）。
該星重3.6噸，設計壽命15年，定點在赤道上空3.6萬公里的靜止軌道上。
小火箭風格：
具體座標為東經119.1°。
該星配備14個C波段轉發器，26個Ku波段轉發器，剛好能夠趕上2018年的世界盃，孟加拉的球迷們有福了！
載人
很早以前，人們就對獵鷹9號運載火箭能不能執行載人任務，有過各種猜想。
現在來看，載人版龍飛船進展還算順利（至少專案是保留著的），而獵鷹9號運載火箭在進入FT序列之後，在Block 5 之前，是100%的發射成功率。
這一切，讓大家充滿了期待。
小火箭通過聯合會瞭解到，美國宇航局NASA內部是放出過這麼一句痛快話的：
只要獵鷹9號 Block 5 型運載火箭現在凍結技術狀態，不再進行快速反覆運算，而且以量產型的Block 5運載火箭連續成功執行7次貨運任務的話，就獲准執行載人任務，而且有希望跳過近地軌道驗證飛行階段，直接執行向國際空間站運送宇航員的任務。
結束語
獵鷹9號系列運載火箭的未來會是怎樣的？
小火箭首先期待的是對整流罩的可靠回收。
然後是二級運載火箭的成功回收和成功複用。
然後是更大的火箭。
亦或是更快的飛行器。
當然，在廠房裡的FT早期型號的獵鷹火箭此時心裡應該會有點兒慌。
單枚火箭複用10次，或者複用100次之後，早期型號的火箭，就面臨著佔用寶貴的廠房空間的窘境。
未來，早期型號的獵鷹火箭會更多地奔赴海洋，進行回收階段3發點火的極限測試，然後沉入大洋底部，成為人類文明的遺跡。
本文結束，小火箭感謝大家的鼓勵和支持！
版權聲明：
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也就是中心1台，一圈8台。這是優化之後的結果。咱們在2015年探討過獵鷹9號系列運載火箭的動力冗餘技術，也就是9台發動機其中的任意1台壞掉，都不影響任務的完成。
在高空，再壞掉1台，也就是2台發動機壞掉，同樣能夠將載荷送入預定軌道。這裡不再贅述。
不過，這個中心1台，一圈8台的佈局的形成，不是一蹴而就的。
早期版本的獵鷹9號運載火箭的9台發動機是3行3列的佈局方式。此時的獵鷹9號火箭，已經具備了冗餘能力。
獵鷹9號 1.0版本
獵鷹9號 1.1版本
不過，這樣佈局的話，單台失效會有三種模式：
9台發動機，分為3類，分別是芯、角和邊。
這3個分類對應3種單台失效模式，也就需要準備3種制導控制系統預案。
改為中心對稱佈局之後，就只有芯和邊 這兩種失效模式了，可以極大地簡化制導控制系統的設計。
這種優化方案被Block 5 型所繼承。
箭體
箭體方面，小火箭先說箭體與動力系統的配合。
之前的9台梅林發動機是通過巨大的高強度鋁合金框架連接到一起之後，再焊接到一級箭體上的。
這樣做，雖然靠譜，但是一旦單台或者多台發動機出現故障，或者鋁合金框架出現不可逆的形變，整個一級火箭就得報廢了（維護維修成本高於複用利潤，不具備重複使用的商業價值）。
現在，Block 5 型進一步為了多次重複使用而升級。以前更多考慮的是重複使用的技術可行性，而現在則是面向單枚火箭可以重複使用10次以上來設計。
因此，Block 5 型的連接盤不再焊死在箭體上，而是用螺栓連接。今後一旦發現問題，就整體拆卸，更換連接盤。這樣整枚一級火箭還可以再次使用。
另外，為了能夠實現複用10次的目標，9台發動機之間的防熱護盾也改為可拆卸式設計。
說起箭體，Block 5 型火箭或許會成為所有獵鷹9號系列運載火箭中辨識度最高的改進型號了。
因為她的一二級級間段是黑色的：
上圖為整裝待發的獵鷹9號Block 5 型運載火箭。白色的一級和白色的二級之間的黑色部分非常醒目。
這是攝於2016年4月份的獵鷹9號運載火箭。她正準備向國際空間站發射貨運版龍飛船。
這種通體潔白的外形，會隨著1.1和FT早期版本的全部退役，而再也不會出現。
以後的獵鷹9號火箭，基本上就都是帶有一截黑色的樣子了。
關於這一截黑色，馬斯克本人的說法是：這樣會大幅提升火箭的美感。
當然，他也提到了SpaceX公司自主研發的疏水型防熱材料。
實際上，這種黑色是沒有噴塗任何塗層和油漆的防熱材料的本色。
這是一種返璞歸真的做法。剝離塗層能夠減輕箭體的重量，為進一步提升火箭的性能做出貢獻。
早些年，太空梭也是這麼幹的。
這是西元1981年4月12日，協調世界時12點00分03秒，哥倫比亞號太空梭執行STS-1任務時候的精彩瞬間。
我們能夠發現，這傢伙的液氫液氧外貯箱是白色的。
這是後來的發現號太空梭執行STS-120任務時，起飛升空的場景。
此時，太空梭的液氫液氧外貯箱已經變成了紅色。
而紅色，正是沒有刷漆的貯箱材料的本色。
當年，洛克希德·馬丁公司的工程師們，經過分析和計算，發現原設計當中用來反射太陽輻射，維持貯箱內部良好溫度環境的白色乳膠漆並無必要，乾脆不塗了。
之前，為塗好太空梭外貯箱，需要大量乳膠漆，而當時那個不刷漆的決定，為太空梭省出了272.1公斤的重量。
這個重量可不能小覷。要知道，即使是補貼價格，太空梭的每公斤發射成本也在1.16萬美元以上。太空梭是一級半入軌，如此算來，這個決策節省的發射成本在315.6萬美元以上。
因此，獵鷹9號Block 5 型的黑色級間段更多的意義不是酷炫（小火箭這把年紀說到這個詞，也是有些羞恥的），而是務實。
柵格翼
柵格翼和RCS反推系統是獵鷹9號系列運載火箭實現一級回收的關鍵。其姿態穩定和姿態控制要仰賴該系統的完美配合。
獵鷹9號運載火箭對柵格翼/舵的創新應用，是大家喜歡這款火箭的一個原因。流場計算：邢強。
而小火箭對獵鷹9號柵格翼的流場計算，也在3年前開啟了在產業科普和行業報告中，專門動用小火箭計算中心進行計算和分析的模式。
或許這也是大家喜歡小火箭的一個原因：不去翻譯和引用那些二手資料，而是通過建模和計算，給出原創的資料和分析。
這樣做，使得小火箭的報告完全迥異於所謂的“稿子”，付出了巨大的成本。好在大家很支援，因為我們都知道，不能每個人都當搬運工，怎麼說也得有人做技術的原創輸出。
上面視頻為小火箭計算中心給出的獵鷹9號運載火箭柵格翼的完全流場計算分析。
科學與藝術，在一個名為美的地方，相遇了。
這是SpaceX的工程師正在安裝調試柵格翼的場景。和真人比起來，我們對獵鷹9號的柵格翼的大小就有更加直觀的認識了。
這是獵鷹9號運載火箭鋁合金柵格翼的本色，也就是還沒有塗白色防熱漆的樣子，是金燦燦的。
為什麼非得要塗防熱漆呢？
小火箭用幾張圖來說明：
這是在飛行過程中的獵鷹9號火箭一級頂部的柵格翼。看顏色就知道很燙。
所以，一級火箭回收之後，最為慘不忍睹的就是鋁合金柵格翼了。
白色的防熱漆被強大的二級噴流沖刷掉，而鋁合金結構也往往會造成破壞，而難以多次使用。
於是，獵鷹9號運載火箭升級了柵格翼，材料採用更為耐熱的鈦合金。在之前發射新一代銥星的時候，有過嘗試。
如果好友們足夠細心的話，還能夠發現，在今年發射的重型獵鷹運載火箭上，兩側的助推器也採用了鈦合金柵格翼。（中間芯級的柵格翼依然是鋁合金的。）
上圖左側為老款柵格翼，鋁合金製成，外有白色防熱漆；右側為新款鈦合金柵格翼，沒有塗任何塗料。
鈦合金的強度更高，因此，也就是省掉了上圖黃框內的加強筋，在氣動上更加優化。而紫色限位孔的位置不變，方便對已有箭體的改裝。
從Block 5 開始，鈦合金柵格翼的設計狀態固化，成為標配。
Block 5 的最新版柵格翼，如果換個角度來看的話，更有趣：
支撐腿
獵鷹9號火箭的支撐腿是保證回收成功的關鍵。
舊版本的4條支撐腿，為了展開後固定得牢靠，在外部設計了閉鎖機構，一旦打開，就無法再自動縮回。
這設計，原本無可厚非，而且有助於可靠著陸。
不過，這可就苦了工程師們。
因為火箭如果需要再次使用的話，需要手動拆解閉鎖機構，重新讓伸縮腿復位。
這個說起來容易，實際操作的時候，12人小組，每次都要耗費4個小時才能搞定。
Block 5 型火箭把閉鎖機構設計在了箭體內部，由一個主作動器帶動8個小機構聯動完成，而且是伸縮自如的。
這樣，火箭在回來之後，只需派1名工程師，操縱主作動器，就能夠在10分鐘以內完成支撐腿復位工作。
該升級依然是面向10次複用的目標而設計的。
彈道
小火箭對獵鷹9火箭進行了建模，並採用多約束制導律複現了獵鷹9火箭的第一級回收彈道。制導演算法詳見小火箭在2012年的論文：
Xing, Qiang, and Wan. C. Chen. "Segmented optimal guidance with constraints on terminal angle of attack and impact angle." 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA. Vol. 257. 2012.
如果有更好的演算法，也可以將制導律或者模擬彈道發給小火箭一起討論。
這是獵鷹9號運載火箭的發射與一級回收的場景。
Block 5 型獵鷹運載火箭的彈道與之前的略有不同。
Block 5 型到達最大動壓狀態比FT的早期型號早了足足有8秒！這火箭的推背感十足。
一二級分離比早期型號早了15秒。小火箭詳細的彈道計算爭取後續補上。
可見獵鷹9號 Block 5 型運載火箭的推力富裕了不少。從二級彈道設計來看，二級不得不減小推力，以便讓載荷所受的超載不至於太大。
成本
可回收運載火箭的設計初衷，就是為了大幅降低火箭的發射成本，最終讓火箭發射業務進入新的商業化時代，讓無論是軍星還是老百姓的衛星都能夠發射得起。
這是重型獵鷹運載火箭的兩枚助推器同時陸上回收的場景。
受小火箭好友的委託，小火箭計算過獵鷹9號運載火箭實現可重複使用之後的成本和利潤。
總體來說，按運載能力和彈道反推的話，採用液氧煤油作為燃料的火箭的燃料成本約為採用常溫有毒燃料火箭成本的1/30。而如果拿煤油和液氫來比的話，那更會是1/100的量級了。（液氫的成本 會是煤油的100倍？為什麼會這樣？詳見小火箭的公號文章《液態氫，一匹桀驁不馴的野馬》）
而實際上，咱們甚至不用過於糾結於燃料的具體單價。因為燃料成本在火箭發射總成本中的占比實在是太小了。（火箭燃料在重量上雖然占火箭的90%以上，但成本基本上不到火箭發射總成本的1%，而SpaceX曾經在核算的時候，給出了0.4%的占比。）
也就是說，咱們去超市買了些吃的蘋果，花了將近100元，然後在收銀台買了一個4角錢的塑膠袋。火箭燃料成本占發射成本的比例就相當於這個塑膠袋與整袋蘋果的比例。
在這裡，咱們假設SpaceX公司把單次火箭發射的利潤鎖定為10%（這個應該足夠保守了吧。）
然後我來說一說小火箭是怎樣計算可重複使用的獵鷹9號的成本的。
按照小火箭的工程經驗和歷史資料，基本上火箭本身的成本占發射總報價的70%。另外的20%要給測控的弟兄們。
而對於一枚二級火箭來說，如果大家接受小火箭之前的設計和計算的話，會按照4.35:1的比例來分配二級運載火箭第一級和第二級的成本。
（具體為什麼這樣算，爭取以後單獨寫一個成本核算系列來解釋。）
好，本著SpaceX每次發射都保守掙10%的原則，按照其多次發射報價的平均值反推，獵鷹9號火箭（已經把保險相關費用算進去了）：
第一級的成本應該為3534.2萬美元，
第二級的成本應為812.4萬美元。
按現代航太發射和卡納維拉爾角場地租用的費用推算，單次發射的指揮、測控的成本為：1242萬美元。
利潤，咱們按報價的10%來保守計算，取621萬美元。
好了，那麼問題來了，每次回收後的檢測、維護保養可都是要有費用的。暫且將其設為X萬美元。
問：假如SpaceX公司要實現重複使用2次火箭，可將第2次發射的報價降低20%（打八折）的話，每次回收後的檢測、維護保養費用應該控制在多少錢以內？
小火箭在這裡和大家一起計算一下：
第一次發射，全新的火箭，第一級的成本為3534.2萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控的弟兄們1242萬美元，利潤為621萬美元。
報價就是6209.6萬美元。
第二次發射，成功回收了第一級，第一級的成本要和第一次發射的攤平，為3534.2萬美元的一半（注意，這裡不能按0計算，而是要用類似折舊的演算法了），也就是1767.1萬美元。第二級得新造一個，也就是還是812.4萬美元，給測控的弟兄們還得有1242萬美元。加上X萬美元的檢測維修第一級火箭的費用，第二次發射的總成本為（3821.5+X）萬美元。
鎖定10%利潤的話，報價為（3821.5+X）/0.9萬美元。
那麼，用（3821.5+X）/0.9=80%*6209.6，就可以求出：
X=649.4萬美元。
也就是說，按照小火箭的估算，如果獵鷹9號可回收火箭只能回收第一級，而且只重複用了1次的話，只要回收後的維護保養費用控制在649.4萬美元以內，第二次發射的報價就能打八折。
而我們不妨認為SpaceX公司對回收後的第一級火箭進行檢測和維修的總費用為295萬美元。這是基於現有技術條件下的比較樂觀的估計。
由此可見，火箭回收以後，第2次發射打8折是完全可以實現的。
或許有同學問了，既然檢修的成本也知道了，那麼咱們乾脆計算一下獵鷹9號火箭多次發射的報價會呈現怎樣的趨勢吧！
好的，小火箭滿足你。
第1次發射，全新的火箭。第一級的成本為3534.2萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控的弟兄們1242萬美元，利潤為621萬美元。
第1次發射報價：6209.6萬美元。
第2次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為1767.1萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為4116.5萬美元，利潤為457.4萬美元（成本的九分之一）。
第2次發射報價：4573.9萬美元。（是首次報價的73.3%）
第3次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為1178.1萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為3527.5萬美元，利潤為391.9萬美元（成本的九分之一）。
第3次發射報價：3919.4萬美元。（是首次報價的63.1%）
基本上，第2次就7折了，第3次6折，那麼，第4次會是5折（半價）麼？咱們繼續算算看：
第4次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為883.6萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為3233.0萬美元，利潤為359.2萬美元（成本的九分之一）。
第4次發射報價：3592.2萬美元。（是首次報價的57.8%）
嗯，還算不上半價。咱們接著發射。
第5次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為706.8萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為3056.2萬美元，利潤為339.6萬美元（成本的九分之一）。
第5次發射報價：3395.8萬美元。（是首次報價的54.7%）
嗯，第5次發射依然難以稱得上是半價。接著來。
第6次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為589.0萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2938.4萬美元，利潤為326.5萬美元（成本的九分之一）。
第6次發射報價：3265.9萬美元。（是首次報價的52.6%）
6次發射了，依然沒能降到半價。
第7次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為504.9萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2854.3萬美元，利潤為317.1萬美元（成本的九分之一）。
第7次發射報價：3171.4萬美元。（是首次報價的51.1%）
第8次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為441.8萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2791.2萬美元，利潤為310.1萬美元（成本的九分之一）。
第8次發射報價：3101.3萬美元。（是首次報價的49.9%）
哈！第8次發射，終於能夠將單次發射的報價打半價了！但是，還別著急離開，繼續算下去，看看會怎樣。
第9次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為392.7萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2742.1萬美元，利潤為304.7萬美元（成本的九分之一）。
第9次發射報價：3046.8萬美元。（是首次報價的49.1%）
第10次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為353.4萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2702.8萬美元，利潤為300.3萬美元（成本的九分之一）。
第10次發射報價：3003.1萬美元。（是首次報價的48.4%）
第11次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為321.3萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2670.7萬美元，利潤為296.7萬美元（成本的九分之一）。
第11次發射報價：2967.4萬美元。（是首次報價的47.8%）
第12次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為294.5萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2643.9萬美元，利潤為293.8萬美元（成本的九分之一）。
第12次發射報價：2937.8萬美元。（是首次報價的47.3%）
第13次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為271.9萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2621.3萬美元，利潤為291.3萬美元（成本的九分之一）。
第13次發射報價：2912.5萬美元。（是首次報價的46.9%）
第14次發射，檢修費用295萬美元，第一級成本為252.4萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控1242萬美元。成本為2601.8萬美元，利潤為289.1萬美元（成本的九分之一）。
第14次發射報價：2890.9萬美元。（是首次報價的46.5%）
報價這樣就是實在降不下去了。
其根本原因在於：對於第一級火箭的維護保養成本已經高於第一級火箭的殘餘價值，早該將這枚火箭送入博物館了。
按照這樣計算，再考慮折舊和可靠性的風險，實際上，這枚獵鷹9號可回收火箭在第10次發射之後就應該早早退役了。（維護保養的費用已經和第一級火箭的殘餘價值比較接近了。）
小火箭計算後的結論就是：
如果SpaceX公司能夠把對第一級火箭的檢測維修成本控制在295萬美元以內的話，同一枚火箭的第8次發射的報價將會是一次性火箭的一半。如果平均每一枚火箭能夠發射3次的話，報價可以變為原報價的63.1%。
因此，對於之前的獵鷹9號運載火箭，考慮到維護保養的成本和測控的成本，小火箭給出了14次複用的限制。
Block 5 型運載火箭，從技術層面上升級之後，會大幅降低維護保養成本，因此，其10次複用的目標還是有可行性的。
可以預見，獵鷹9號 Block 5 型運載火箭的發射報價，今後很有可能降到5000萬美元。
而10次一大修，單枚火箭可複用100次的目標，將會是Block 5 型新的奮鬥方向了！
訂單
SpaceX公司的獵鷹9號 Block 5 型最新版本的運載火箭的啟動訂單，由孟加拉擔當！
Block 5 型火箭的首單，發射的是孟加拉的首枚地球靜止軌道通信衛星。這顆衛星由泰雷茲阿萊尼亞宇航公司生產，造價2.48億美元（小火箭注：約合15.7億元人民幣）。
該星重3.6噸，設計壽命15年，定點在赤道上空3.6萬公里的靜止軌道上。
小火箭風格：
具體座標為東經119.1°。
該星配備14個C波段轉發器，26個Ku波段轉發器，剛好能夠趕上2018年的世界盃，孟加拉的球迷們有福了！
載人
很早以前，人們就對獵鷹9號運載火箭能不能執行載人任務，有過各種猜想。
現在來看，載人版龍飛船進展還算順利（至少專案是保留著的），而獵鷹9號運載火箭在進入FT序列之後，在Block 5 之前，是100%的發射成功率。
這一切，讓大家充滿了期待。
小火箭通過聯合會瞭解到，美國宇航局NASA內部是放出過這麼一句痛快話的：
只要獵鷹9號 Block 5 型運載火箭現在凍結技術狀態，不再進行快速反覆運算，而且以量產型的Block 5運載火箭連續成功執行7次貨運任務的話，就獲准執行載人任務，而且有希望跳過近地軌道驗證飛行階段，直接執行向國際空間站運送宇航員的任務。
結束語
獵鷹9號系列運載火箭的未來會是怎樣的？
小火箭首先期待的是對整流罩的可靠回收。
然後是二級運載火箭的成功回收和成功複用。
然後是更大的火箭。
亦或是更快的飛行器。
當然，在廠房裡的FT早期型號的獵鷹火箭此時心裡應該會有點兒慌。
單枚火箭複用10次，或者複用100次之後，早期型號的火箭，就面臨著佔用寶貴的廠房空間的窘境。
未來，早期型號的獵鷹火箭會更多地奔赴海洋，進行回收階段3發點火的極限測試，然後沉入大洋底部，成為人類文明的遺跡。
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