重型獵鷹初窺
宇航探索局出品
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北京時間2月7日凌晨4:45，千呼萬喚始出來的獵鷹重型火箭在美國佛羅里達州卡拉維拉爾角肯尼迪航天中心功勛發射平台LC-39A上發射升空。它是目前世界上最強大的火箭，運載能力是第二名「德爾塔4」重型運載火箭的兩倍。
靜態點火試驗
在正式發射前，SpaceX做了大量的準備和模擬工作。2018年1月，獵鷹重型火箭完成靜態點火試驗，該試驗主要驗證火箭的點火時序，振動情況和推力平衡情況。靜態點火（Static Fire）試驗，又稱系留點火試驗，是一種火箭發射前的預先點火試驗。
獵鷹9號和獵鷹重型都採用了典型的牽制釋放裝置，而這種裝置也是獵鷹9號能夠進行靜態點火的必要條件，因為點火後火箭推重比（火箭推力與重力的比值）一旦大於1，火箭就會離開發射架，所以必須有裝置「拽」住火箭。目前世界現役的運載火箭中，僅有獵鷹9和安塔瑞斯火箭設計有靜態點火環節。
相對於實際發射來講，獵鷹9號的靜態點火可以說是除了拽住火箭沒讓飛之外什麼都做了。但即便如此，直到實際發射之前，誰都無法知道火箭如何在空中表演。
回收一級做助推
獵鷹重型是在「獵鷹9」基礎上發展而來的，其整流罩與「獵鷹9」相同，二級使用相同的真空「梅林 1D」發動機，結構材料相同。一級使用3個「獵鷹 9」芯級並聯組成，即共有27個「梅林1D」發動機，側芯或助推器連接在中心芯級的液氧罐的底部和頂部，每個芯級相當於獵鷹9號一級，均可重複回收使用。此次首飛箭起飛級的兩枚助推器都是以往發射任務後回收的獵鷹9火箭一級改裝而來，主要是增加了冷分離機構，同時替換了底部的Octaweb承力結構，也就是說這枚所謂的「首飛箭」其實超過一半都是二手的，通常即使是全新製造的新型火箭發射，其風險都是相當大的。而SpaceX試射的是一款新型的半二手火箭，風險和難度請自行想像。
所以，重型獵鷹的低成本是建立在與「獵鷹 9」的高度通用性上的。也正因此，重型獵鷹的開發較「德爾塔4」更容易些。同時，發射成本進一步攤薄。
如果不考慮回收，重型獵鷹的發射成本近1.5億美元，但如果考慮到海上回收助推和芯一級這個成本將控制在9500萬美元左右。它的唯一競爭對手是發射聯盟的「德爾塔4」三核重型運載火箭。此次發射中的一枚助推器是由Thaicom-8任務後回收的獵鷹9火箭一級改裝而來，也就是一枚二手助推器。也就是常說的「芯級變助推」思路（Common Booster Core，常被簡稱為CBC設計），這樣芯級和助推器可以最大限度通用各種部件，從而縮減生產線，簡化設計，甚至降低成本。重型「德爾塔4」和俄羅斯的「安加拉A5」都採用這種設計思路。只不過這兩種火箭並不能回收，沒法把回收芯級改成助推，而是在芯級基礎上「派生」助推，最大限度共用生產設備和零部件。除此之外也有一類運載火箭，採用通用化或是系列化的思路，也是意圖在各種構型之間儘可能的共用一些模塊，減少生產線壓力。比如海射公司的「天頂」火箭其實就派生自前蘇聯「能源」火箭的助推器。
德爾塔4慘遭擠壓
德爾塔4重型運載火箭自2004年正式服役以來一共承擔了9次發射任務，除了1次用於發射NASA有效載荷之外，其餘八次都是將重型軍事載荷發射到各種不同的軌道上。德爾塔IV型攜帶的燃料，可以保證它在幾乎所有高度和軌道部署衛星，發射效率非常高。相比於重型獵鷹一級的27台發動機，德爾塔4一級只安裝了三台RS-68主發動機，理論上可靠性更高。
重型獵鷹以一半的發射報價運載兩倍於德爾塔4的載荷。成熟後勢必對ULA發射市場造成巨大衝擊。然而反過來想想，德爾塔4擁有如此高昂的價格並不令人意外，畢竟它的發射頻率相對較低，基本上平均每隔18個月或1年半發射一次的節奏，而在這期間無論火箭是否執行發射，設計、製造和操作火箭所需的技術專家和設施必須繼續使用。所以ULA的高昂發射報價也有其合理之處。這也是空軍、國防部和NASA都心知肚明的，但是，德爾塔4重型運載火箭是目前唯一能夠發射國家偵察局（NRO）所希望和要求的幾乎所有任務的火箭。鑒於獵鷹火箭發射丟掉絕密衛星「ZUMA」，重型獵鷹距離承載高敏感度絕密衛星可能還有很長的路要走。
獵鷹重型火箭的性價比相對於「獵鷹9」更高，其價格比獵鷹 9 號上漲了不到五成，運載能力卻是獵鷹 9 號的近三倍。隨著重型獵鷹的加盟，勢必衝擊重型衛星發射市場，屆時SpaceX市場佔有率將更高
火箭也可以並行
27台「梅林 1D」發動機在發射時產生510萬磅的推力。「獵鷹重型」是當今世界發動機數量最多的火箭，在傳統設計理念中，為避免採用多發動機導致複雜的耦合振動、火箭推重比下降、系統可靠性降低等問題，火箭一子級發動機數目通常控制在10台以內。儘管歷史上曾有N-1火箭一子級採用了30台發動機，但其四次發射均以失敗告終。「獵鷹重型」運載火箭一子級大膽採用了挑戰傳統的27台發動機方案，但採用先進的設計手段確保了其高可靠性。
重型獵鷹令人震撼的不是他的梅林發動機，而是以這種簡單發動機集群使用所實現的超出一般重型發動機的使用效果，可以說這才是革命性的東西，將這種架構應用於重型發動機上面，將使重型發動機的各方面性能得到數量級性的提高。梅林發動機的整合架構的技術使發動機的性能得到倍增，就如同巨型計算機是使用眾多cpu並行運算得到的效果，雖然單個cpu在技術上仍然十分落後，卻能夠製造出世界上運算速度最快的巨型機。一旦SpaceX將重型獵鷹發動機整合技術與重型發動機融合，將製造出十倍乃至數十倍於現有重型發動機性能的發動機動力源。到那個時候，航天界將展現出另一番樣子。
這種由小而簡單的部件攛出具有高大上裝備的思想一直是老毛子的發展理念。而今技術先進的美國人也玩起了這套把戲。
坦白而言，重型獵鷹就像捆綁著的三枚「獵鷹9」火箭，而「獵鷹9」火箭更像捆綁的九枚「獵鷹1」。現如今重型獵鷹捆綁了兩枚「獵鷹9」一級火箭做助推並試飛成功，在技術上捆綁四枚「獵鷹9」一級火箭做助推也是可行的。就像上圖中的俄羅斯的安加拉系列火箭。捆綁兩枚助推的「安加拉」火箭就是「安加拉3A」，捆綁四枚助推的為「安加拉5A」重型運載火箭。
便宜、耐造、通用
我們已經講過，獵鷹系列火箭彼此之間通用性達到了新的高度，依賴先進的回收技術使其成本呈數量級縮小。此外 Space X 也是第一個沒有第三方供應商的航天航空公司，從火箭箭體、整流罩、引擎到發射的所有配件和技術都由 Space X 一手包辦，沒有中間商賺差價，成本自然也下來了。
最要命的是SpaceX降低發射成本的同時，提高了發射能力和產品質量。視頻是位於德州測試場的試車台，這是當時一枚回收後的編號為024的芯級在進行重複的長程點火測試，用來探究獵鷹9火箭重複利用的極限，點火時長與實際發射一致。事實上這枚受損最為嚴重的芯級經過了10次長程點火後依舊完好（官方確認的是7次，有傳言是10次已經做完）。這也為後續的SES-10重複發射任務提供了堅實的信心。
美中不足的回收
發射後兩個側推進器分別著陸在肯尼迪空軍基地的LZ-1和LZ-2著陸點，這也是SpaceX此前回收火箭的著陸點。不過，原計劃降落在大西洋海上無人回收平台「Of Course I Still Love You」上的芯級推進器卻未能成功回收。隨後，馬斯克公布了芯級火箭因為點火液耗盡，外部的兩台發動機沒有成功點火，最終導致降落時發生了偏差。
交叉供油系統
近年來，隨著大型運載火箭和兩級入軌重複使用運載器的快速發展，推進劑交叉輸送技術應運而生。該技術通過交叉輸送管路、閥門等，將液體運載火箭助推與芯級貯箱或助推與芯級輸送管連接起來，實現推進劑共用。在助推飛行階段，助推器和芯級發動機僅消耗助推器貯箱內的推進劑，保證在助推器分離時，芯級貯箱仍保留滿箱的推進劑，這種新技術有利於改善大型運載火箭及飛行器的總體布局，提高火箭的運載能力。
在國外，推進劑交叉輸送技術僅部分應用於美國的「宇宙神 4」 火箭，太空梭一級歐空局的「阿里亞娜 4」火箭。然而該技術在三級並聯火箭飛行器中的應用尚在設計之中。此外，波音公司在其兩級入軌可重複使用飛行器設計方案中也採用了推進劑交叉輸送技術。2011 年美國 SpaceX 公司在其公布的獵鷹 9 重型運載火箭方案中指出當其採用推進劑交叉輸送技術時，其運載能力能夠從 45噸提升至 53噸。
推進劑交叉輸送系統由推進劑貯箱、輸送管路、芯級貯箱隔離閥、交叉輸送管、單向閥、交叉輸送隔離閥( 助推側) 、交叉輸送隔離閥( 芯級側) 、分離閥等組成。通過交叉輸送管路將助推器和芯級輸送管路連接起來，實現推進劑共用。如上圖所示。
設計的推進劑交叉輸送系統在助推飛行段，按照助推和芯級發動機的消耗量，僅由助推貯箱通過交叉輸送管路向芯級發動機輸送推進劑，芯級貯箱隔離閥 5 處於關閉狀態，芯級貯箱不輸送推進劑。在助推器飛行末段，芯級貯箱處於滿箱狀態。此時，打開芯級貯箱隔離閥 5，實現推進劑切換。由於芯級液位較高，同時受飛行過載的影響，交叉輸送管路芯級側壓力高於助推側壓力，單向閥 1 自動關閉，防止推進劑倒流至助推器貯箱內。單向閥關閉後，同時關閉交叉輸送隔離閥
( 助推側) 2 和交叉輸送隔離閥( 芯級側) 3，啟動分離裝置 4 實現管路分離。如上圖所示。2011年，在宣布重型獵鷹火箭發射日期時，馬斯克說：「重型獵鷹將是歷史上首款使用助推向芯級供應推進劑交叉輸送技術的火箭，這樣在助推分離時芯級貯箱推進劑大部分都未消耗。最直接的作用就是重型獵鷹獲得了和三級火箭相當的性能，儘管它只有一個上面級。這就進一步提升了其運載能力和可靠性。
在隨後關於重型獵鷹火箭推進劑交叉輸送技術的說明中，馬斯克進一步表示：「外側芯級和中心芯級之間的交叉輸送非常有用，粗略來看，其可將運載能力提高超過20%～30%。在這方面，我們有很大的優勢，因為我們使用了9台發動機，對於發動機的流量我們可以分別獨立控制。所以，我們進行交叉輸送的方式就是，讓中心芯級發動機從鄰近的外側芯級來獲取推進劑。之後我們可以關掉這些發動機的閥門，這樣它們就不會再從外側發動機抽取推進劑。如果你只有一台發動機，你就做不到這一點，如果你有多個或者9個發動機，這就是一件容易得多的事兒。」
2011年9月，John K. Strickland在 《The SpaceX Falcon Heavy Booster: Why Is It Important?》中闡述：重型獵鷹的交叉輸送型式上同太空梭外掛貯箱給SSME發動機輸送型式相似。芯一級鄰近助推器的3台發動機由助推器貯箱來提供，如此芯一級的9個發動機實際上有6個由兩個助推器分別供應，剩下的3個則仍是由芯一級自己貯箱來提供。在起飛的初始階段，所有27個發動機全滿工況工作，在到達一定時間後，芯級調節為小推力狀態以節省芯一級推進劑，而助推仍然保持滿工況！在助推器結束工作分離之後，芯級轉化為滿工況！
然而推進劑交叉輸送技術卻有著巨大的技術門檻。1）帶有液體且直徑不小的輸送管路分離過程的可靠性；2）分離中，級與級之間狀態切換的可靠性，即從即將分離的助推切換為後續仍需工作的芯級可靠性。前者對分離機構的設計提出了較高要求，後者則偏重於分離後密封設計。兩者都需要解決，缺一不可，否則影響難料！正因如此，重型獵鷹火箭沒有採用推進劑交叉輸送技術。
不是歷史之最
儘管重型獵鷹號稱當今世界推力最大的運載火箭，然而它卻並非前無古人，更非後無來者。
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