一文详解SpaceX火箭：猎鹰系列——猎鹰9
猎鹰9简介
猎鹰9是一种中型的二级入轨运载火箭，是目前世界上最先进的运载火箭之一，具有可重复使用、低成本、高效率、多功能等特点，由美国的SpaceX公司设计和制造。它的名字来源于《星球大战》系列电影中的“千年隼”飞船，以及它的第一级助推器上有9个发动机。
截至2023年，猎鹰9已经发展出了5个版本，分别是猎鹰9 1.0版、猎鹰9 1.1版、猎鹰9全推力版（Block 3）、猎鹰9 Block 4和猎鹰9 Block 5。
目前在使用的是最新的猎鹰9 Block 5版本，它在不回收第一级助推器的情况下，可以向低地球轨道发射22.8吨的载荷，相当于一个大型客机的重量；或者向地球同步转移轨道发射8.3吨的载荷，相当于一辆公交车的重量。
猎鹰9在人类航天史上有着极其重要的地位，它是历史上第一枚能够垂直着陆并多次重复使用第一级助推器的液体燃料运载火箭，打破了运载火箭只能一次性使用的传统观念。它也是第一枚完全在21世纪开发和设计的火箭，以及美国首次由私人企业承担向国际空间站运送货物和人员任务的火箭，开启了商业航天时代。
猎鹰9特点
猎鹰9的最大特点是它的可重复使用性，即它的第一级助推器可以在发射后返回地面或者海上平台，经过检查和维护后再次发射。这样可以大大降低发射成本，提高发射频率，增加发射灵活性，也可以减少航天垃圾的产生。
猎鹰9的第一级助推器有两种着陆方式：一种是返回发射场附近的着陆区（RTLS），另一种是返回海上的无人驾驶船平台（ASDS）。
RTLS方式需要更多的燃料和时间，因为助推器需要改变飞行方向，并且克服地球自转带来的速度差。这种方式适用于向低地球轨道发射较轻载荷的任务。
ASDS方式需要更少的燃料和时间，因为助推器只需要沿着原来的飞行方向飞行，并且利用地球自转带来的速度增加。这种方式适用于向地球同步转移轨道或者火星转移轨道发射较重载荷的任务。
猎鹰9第二大特点就是便宜。由于第一级助推器可回收，它的成本比其他国家的火箭低很多：
猎鹰9（第一级助推器的回收和重复使用）：6200万美元（约合人民币3.9亿元）
猎鹰9（不回收第一级助推器）：9700万美元（约合人民币6.1亿元）
阿特拉斯V火箭：1.5亿美元（约合人民币9.4亿元）
阿丽亚娜5火箭：2.2亿美元（约合人民币13.8亿元）
长征5火箭：1.7亿美元（约合人民币10.7亿元）
猎鹰9结构
有效载荷整流罩
有效载荷是由火箭顶部的整流罩保护和固定的。整流罩是一个锥形的结构，由碳复合材料制成，用于减少大气阻力和保护载荷免受温度、振动和电磁干扰等影响。整流罩内部有一个可调节的平台，可以根据不同大小和形状的载荷进行适配。
整流罩直径为5.2米，高度为13.1米，内部容积为136立方米，是目前世界上最大的商用火箭整流罩。
整流罩在飞行大约3分钟后，火箭达到大气层外时会分离，并由两个半壳组成。SpaceX正在尝试回收整流罩以降低成本和提高可靠性。整流罩半壳在分离后会部署降落伞，并由特制的船只“GO Ms. Tree”和“GO Ms. Chief”在海上捕获或打捞。
级间
猎鹰9的级间是指火箭的第一级和第二级之间的连接部分。级间的作用是在火箭分级时，将第一级和第二级分离，并提供电力、数据和燃料的传输。级间的设计和性能对火箭的可靠性和效率有着重要的影响。
猎鹰9的级间采用了一个简单而轻便的结构，由一个圆柱形的金属壳体和四个高超音速网格鳍组成，它们在再入大气层期间通过移动压力中心来定向火箭。
圆柱形的壳体位于火箭中心，直径为3.7米，高度为1.2米，内部装有电池、电子设备、气压罐等组件，为火箭提供电力和控制信号。四个金属桁架位于壳体周围，呈十字形分布，长度为4米，宽度为0.3米，用于连接第一级和第二级，并承受火箭发射时的巨大载荷。
猎鹰9的级间使用了一种称为“气动分离”的技术，即利用大气阻力和气流来帮助第一级和第二级分离。在火箭达到约70公里的高度时，第二级发动机点火，同时第一级发动机关闭。此时，四个桁架上的爆炸螺栓断开，使得两个级别之间的连接松开。
随后，四个网格鳍上的推力器向外喷气，将第一级推离第二级约20厘米。由于此时大气阻力很小，这个距离足以避免两个级别之间的碰撞。然后，由于两个级别之间的速度差异和气流作用，它们会自然地远离彼此，并进入不同的轨道。
第二级火箭
猎鹰9的二级火箭是火箭的上部。它负责将有效载荷从约70公里的高度送入目标轨道，然后分离并重新进入大气层。二级火箭的设计和性能对火箭的精度和灵活性有着重要的影响。
猎鹰9的二级火箭采用了一个圆柱形的金属壳体，直径为3.7米，高度为13.8米，重量为92吨。壳体内部装有1台梅林真空发动机，可以在水平方向上进行偏转，以控制火箭的方向。壳体外部装有一个可分离的整流罩，用于保护有效载荷免受空气阻力和热流的影响。壳体底部连接着一级火箭，用于与第一级分离。
猎鹰9的二级火箭使用液态氧和煤油作为燃料，储存在壳体内部的两个隔离的罐体中。液态氧罐位于上方，容量为92立方米，重量为75吨。煤油罐位于下方，容量为25立方米，重量为17吨。两种燃料通过管道和泵送到发动机中，在高温和高压下发生燃烧，产生强大的推力，燃烧时间为397秒。
猎鹰9的二级火箭使用了一种称为“多次点火”的技术，即在轨道转移过程中可以多次开启和关闭发动机，以实现不同的轨道参数和任务需求。
在第一级分离后，二级火箭首次点火，将有效载荷送入一个椭圆形的过渡轨道。
在过渡轨道上，二级火箭可以进行一次或多次点火，以达到目标轨道或执行轨道机动。
在有效载荷分离后，二级火箭可以再次点火，以降低其轨道高度，并在大气层中销毁。
猎鹰9的二级火箭使用了一种称为“整流罩回收”的技术，即在分离后不弃置于太空或大气中，而是通过控制系统和回收系统返回地面或海上，并进行检修和再利用。
第一级火箭
猎鹰9的一级火箭是火箭的最底部，也是最大和最重的部分。它负责将火箭从地面发射到大约70公里的高度，然后分离并返回地面。一级火箭的设计和性能对火箭的成本和效率有着决定性的影响。
猎鹰9的一级火箭采用了一个圆柱形的金属壳体，直径为3.7米，高度为47.8米，重量为256吨。壳体内部装有9台梅林发动机，呈九宫格布局，每台发动机都可以在水平和垂直方向上进行偏转，以控制火箭的姿态和方向，其海平面推力为7，607 千牛，真空推力为8，227 千牛。壳体外部装有4个折叠式的着陆腿，用于在回收时支撑火箭。壳体顶部连接着级间，用于与第二级分离。
猎鹰9的一级火箭使用液态氧和煤油作为燃料，储存在壳体内部的两个隔离的罐体中。液态氧罐位于上方，容量为284立方米，重量为147吨。煤油罐位于下方，容量为119立方米，重量为39吨。两种燃料通过管道和泵送到发动机中，在高温和高压下发生燃烧，产生巨大的推力。
猎鹰9的一级火箭使用了一种称为“渐进式关机”的技术，即在发射过程中逐渐关闭部分发动机，以减少对火箭结构的应力和对有效载荷的加速度。
在发射时，9台发动机都处于全功率工作状态，提供约7,600千牛的推力。
在发射后约2分钟30秒时，中央发动机关闭，剩余8台发动机继续工作。
在发射后约2分钟45秒时，又有4台发动机关闭，剩余4台发动机继续工作。
在发射后约2分钟55秒时，剩余4台发动机都关闭，一级火箭与第二级火箭分离。
猎鹰9的一级火箭还使用了“可重复使用”的技术，节省大量的材料和人力成本，提高火箭的经济性和环保性。
猎鹰9的一级火箭回收过程包括以下几个步骤：
分离：在第二级点火后，一级火箭与第二级分离，并开始下降。
翻转：一级火箭使用四个冷气推力器进行180度的旋转，使得发动机朝向下降方向。
重启：一级火箭使用三台或单台发动机进行多次点火，以减速并调整轨迹。
制导：一级火箭使用四个格栅舵进行精确的姿态和方向控制，并朝向预定的着陆点飞行。
着陆：一级火箭使用四个着陆腿进行垂直软着陆，并关闭剩余发动机。
