“重型獵鷹”（英文名：Falcon Heavy，簡稱FH）是SpaceX研發(fā)和制造的一款可重復使用的重型運載火箭，是當前世界現役最大推力的運載火箭。“重型獵鷹”運載火箭全長70米，最大直徑12.2米，起飛質量1420.788噸，每次重復使用第一級火箭的發(fā)射價格為9000萬美元，一次性使用第一級火箭的發(fā)射價格為1.5億美元，研發(fā)成本5億多美元。
“重型獵鷹”運載火箭是在已大量成功發(fā)射的獵鷹9號火箭基礎上，在芯一級捆綁了兩枚大型助推器，而這兩枚大型助推器其實就是與芯一級一模一樣的火箭，即“重型獵鷹”運載火箭的第一級是由3枚相同的火箭并聯而成的，每枚上面裝有9臺發(fā)動機，發(fā)射時共有27臺發(fā)動機同時點火。所以，“重型獵鷹”運載火箭既力大無比，又經濟實惠。
“重型獵鷹”運載火箭大量使用輕質、高強度的鋁鋰合金材料和先進結構設計技術，配備具有大推質比、大范圍節(jié)流能力的發(fā)動機，并采用推進劑過冷加注和交叉輸送技術（在首飛中暫時取消了交叉輸送），這一切措施使得火箭具有極高的運載效率，其近地軌道運載能力達63.8噸，地球同步軌道運載能力為26.7噸。已超越目前的所有現役火箭。
“重型獵鷹”運載火箭的可靠性非常高，其設計留有40%的結構冗余，而普通運載火箭僅有25%。火箭第一級采用27臺發(fā)動機的設計結構，具備在單臺或多臺發(fā)動機出現故障時，仍何順利完成發(fā)射任務的獨特能力。此外，火箭還裝備了三重冗余的航天電子設備和雙重啟動的級間分離螺栓。這些設計使得“重型獵鷹”運載火箭成為一種極為安全可靠的運載火箭，同時也完全符合美國航空航天局的載人航天標準。
發(fā)展沿革
研發(fā)背景
隨著航天技術的不斷發(fā)展和成熟，全球發(fā)射市場對低成本商業(yè)運載工具的需求越來越迫切。
在冷戰(zhàn)時期美國和蘇聯曾分別研制出“土星”5號和“能源”號兩種重型火箭。現在由于美國、俄羅斯都把載人航天的未來目標都瞄準了月球、小行星和火星。所以，這兩個航天強國在沉寂40年后，又都再次啟動了重型運載火箭的研制工作。
堅持軍、民、商航天活動協(xié)調發(fā)展，一直都是美國航天政策的基本指導原則。2010年6月28日，美國政府發(fā)布的最新《美國國家航天政策》指出，要促進航天商業(yè)化新領域的拓展與航天業(yè)競爭力的提升，強調強大而有競爭力的商業(yè)航天對美國航天事業(yè)的持續(xù)進步至關重要。新政策通過指導政府機構來鼓勵商業(yè)航天的發(fā)展，擴大私企的參與范圍，允許商業(yè)公司在太空探索中承擔更多的任務。在此背景下，SpaceX啟動了“重型獵鷹”運載火箭的研制項目。
Space X致力于發(fā)展可重復使用的火箭技術，以降低航天任務的成本。“重型獵鷹”運載火箭繼承了獵鷹9號的可重復使用設計，其主要部件包括首級、次級和推進器都可以在發(fā)射后返回地面進行維護和再利用。“重型獵鷹”運載火箭采用了多個獵鷹9號火箭的第一級核心級（首級），這些核心級都搭載了獵鷹9號火箭所使用的梅林發(fā)動機，從而提供了強大的推進力。
研制歷程
2011年4月5日，美國私營航天公司——SpaceX（SpaceX）首席執(zhí)行官埃倫·馬斯科（Elon Musk）宣布正在研制一種自人類登月以來最強大的火箭，即“重型獵鷹”運載火箭（Falcon Heavy），并公布了火箭的相關設計細節(jié)和性能。
2012年，SpaceX公司公布了“重型獵鷹”運載火箭的初步設計，并開始進行火箭發(fā)動機的研發(fā)和測試。
2014年，首枚“重型獵鷹”運載火箭的首級核心段完成裝配，并進行了地面測試和模擬飛行。
2015年，首次“重型獵鷹”運載火箭的發(fā)射計劃推遲，因為SpaceX公司的研發(fā)重點轉向了獵鷹-9火箭和龍飛船的改進和可重復使用技術。
2016年12月28日，SpaceX發(fā)布了獵鷹重型火箭首張照片。
美國東部時間2018年1月24日中午約12時30分（北京時間2018年1月25日凌晨1時30分），“重型獵鷹”運載火箭在位于佛羅里達州的美國航天局肯尼迪航天中心39A發(fā)射臺上點燃了27個引擎，向地面噴出白煙，時間持續(xù)約10秒。
首次發(fā)射
北京時間2018年2月7日4:45，SpaceX（Space X）在位于卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發(fā)射了首枚“重型獵鷹”運載火箭，這是目前世界上運載能力最大的運載火箭，任務中成功陸地回收了兩枚助推器，但芯級海上回收失敗。該任務引起了國內外的廣泛關注。
此次發(fā)射的首枚“重型獵鷹”運載火箭，將一輛改裝過的紅色特斯拉電動跑車發(fā)射升空，任務中火箭運行情況良好，按照預定目標完成了火箭的一級點火、升空、助推器分離、芯級與二子級分離、二子級點火等動作，雖然最終火箭未將攜帶的有效載荷部署到目標的地火轉移軌道，而是將其送入一條地球逃逸軌道，但本次任務仍然實現了大部分驗證目標。
首飛任務中對芯級、兩枚助推器進行了回收，其中兩枚助推器完成工作后與芯級分離，隨后掉頭飛回位于卡納維拉爾角的著陸平臺，火箭的兩個助推器成功在著陸器區(qū)同時回收。芯級在與二子級分離后，瞄準部署在大西洋上名為“當然我依然愛你”的海上平臺進行回收。芯級在返回過程中，原計劃應該有3臺發(fā)動機重啟，但實際僅有1臺點火成功，芯級火箭按計劃接近大西洋上的無人海上平臺試圖著陸時，出現故障墜海，芯級最后以480km/h的速度墜落在海面上，落點距離海上回收平臺大約100m，未能實現回收。
首飛“重型獵鷹”運載火箭捆綁的兩枚助推器為此前SpaceX回收的獵鷹-9火箭一子級，分別是2016年5月27日泰國通信衛(wèi)星8（Thaicom-8）發(fā)射任務中通過海上回收的B1023.2，以及2016年7月18日龍-CRS-9（Dragon-CRS-9）國際空間站任務中通過陸地回收的B1025.2。為了實現與芯級的連接，兩枚助推器分別加裝了鼻錐和前、后安裝點，同時芯級為了承受額外的應力做了重新設計，增加了結構強度。但未使用此前宣稱的交叉輸送技術。
技術特點
總體設計
“重型獵鷹”運載火箭采用二級結構，第一級是由3枚相同的火箭并聯而成的，每枚上面裝有9臺發(fā)動機，發(fā)射時共有27臺發(fā)動機同時點火。“重型獵鷹”運載火箭的高度為70米（229.6英尺），直徑為3.66米（12英尺）。它的總起飛重量約為1420噸（3.1百萬磅），是目前世界上最重的運載火箭之一。
“重型獵鷹”運載火箭使用液體推進劑作為燃料。一級發(fā)動機和二級發(fā)動機使用液體燃料——液態(tài)氧（LOX）和煤油（RP-1）的組合。
火箭頂部頭錐體和箭體外層全部采用超強度鋁鋰合金材料，后蓋上面蓋了特制的擋熱板，以保護火箭的第1、2級在重返地球大氣層時免遭燒壞損毀，從而便于回收利用。火箭重復使用技術能把火箭的發(fā)射費用降低一個數量級。該火箭的設計留有40%的結構冗余，而普通火箭僅有25%，所以“重型獵鷹”的可靠性非常高。它裝備了三重冗余的航天電子設備和雙重啟動的級間分離螺栓。
箭體結構
一子級
“重型獵鷹”運載火箭的一子級由3個改進型獵鷹9一子級捆綁組成，即采用芯級加2枚捆綁助推器的構型。芯級和每枚助推器都使用9臺改進型隼[sǔn]1D發(fā)動機。
“重型獵鷹”運載火箭第一級含3枚“獵鷹9”火箭芯，共有27個引擎，發(fā)射初級階段所有引擎提供的總推力逾500萬磅（約227萬千克），可送入近地軌道的有效載荷高達14萬磅（約合63.8噸）。
二子級
“重型獵鷹”運載火箭二子級高度是8.1m，直徑是3.7m。采用1臺隼1D真空發(fā)動機，基本狀態(tài)與隼1D發(fā)動機類似，但為了適應真空飛行工況，采用面積比達到117：1的大噴管。這使得該發(fā)動機比沖高達348s，工作時長為397s，推力也提高到了934kN，推進劑使用的是液氧/煤油。此發(fā)動機具備多次點火的能力，將多個有效載荷送入不同的軌道，大大增強了其對于任務的適應能力。
整流罩
“重型獵鷹”運載火箭的整流罩與獵鷹9火箭整流罩一致。采用兩瓣式構型，使用蜂窩鋁芯材料和碳纖維面板制造。整流罩高13.1m，直徑5.2m，重約2.5t。縱向連接采用機械鎖機構鎖緊，接收到分離指令后，高壓氦氣驅動機械鎖，解除縱向連接，高壓氦氣繼續(xù)驅動推沖器(4個)直至將兩瓣整流罩推開。
推進系統(tǒng)
“重型獵鷹”運載火箭的一子級由3個改進型獵鷹-9一子級捆綁組成，即采用芯級加2枚捆綁助推器的構型。芯級和每枚助推器都使用9臺隼-1D發(fā)動機。
隼-1D發(fā)動機是在隼-1C基礎上研制的，為執(zhí)行未來載人任務采用結構和熱防護安全設計。應用于獵鷹-9火箭一子級和“重型獵鷹”運載火箭的芯級及助推級。隼-1D發(fā)動機使用了先進的制造技術和材料，具備好的耐久性和很高的余量，允許其在更高的推力、壓力、溫度條件下運行。改進之后，用于一子級的隼1D發(fā)動機最大海平面推力達到756kN，真空推力達到825kN，比隼發(fā)動機初始型提升16%。
“重型獵鷹”運載火箭二子級采用1臺隼-1D真空發(fā)動機，基本狀態(tài)與隼-1D發(fā)動機類似，但為了適應真空飛行工況，采用面積比達到117:1的大噴管。這使得該發(fā)動機比沖高達348s，推力也提高到了934kN。此發(fā)動機具備多次點火的能力，大大增強了其對于任務的適應能力。
“重型獵鷹”運載火箭是第一種全面使用“2195鋁鋰合金”液態(tài)氧/煤油發(fā)動機的火箭，質量降到驚人程度，助推器質比（加滿推進劑質量/耗盡推進劑質量）超過30，而現有德爾它4（Delta-4）運載火箭的質量比僅為10左右。所以，火箭雖然全部使用低比沖液氧/煤油發(fā)動機，但運載系數卻高于全部使用高比沖液氫液氧發(fā)動機的德爾它4重型運載火箭。
根據SpaceX的介紹，“重型獵鷹”運載火箭是第一種使用 “交叉輸送’技術的運載火箭，它可以在火箭助推器和芯級之間實現推進劑的對流，可保證助推器分離時，芯級仍有最多的推進劑，使其達到三級火箭的性能。雖然通過發(fā)動機推力調節(jié)也可以實現火箭芯級保留更多推進劑，但效果上遠不如使用交叉輸送技術將助推器剩余推進劑輸送給芯級的效果。此外，在發(fā)射較輕的載荷時，可以關閉交叉輸送技術，這樣雖然火箭的輸送能力有所下降，但減少了復雜性，降低了事故概率。據SpaceX介紹，如不使用“交叉輸送"技術，火箭低地球軌道輸送能力約為45t，仍可滿足目前的各種運載需求。
制導系統(tǒng)
重型獵鷹采用慣性導航系統(tǒng)（INS）來測量和跟蹤火箭的加速度、速度和位置信息。INS通過使用陀螺儀和加速度計等傳感器來檢測和計算運動參數，并將這些數據用于導航和控制。
重型獵鷹還使用全球定位系統(tǒng)（GPS）來獲取地球上的位置和速度信息。GPS接收器能夠接收來自衛(wèi)星的信號，并計算出火箭的準確位置和速度，從而提供更精確的導航和定位。
控制系統(tǒng)
重型獵鷹通過舵面控制系統(tǒng)來調整火箭的姿態(tài)和軌跡。舵面包括偏舵、升舵和方向舵等，它們通過液壓或電動機構來改變火箭的姿態(tài)和方向。舵面控制系統(tǒng)根據慣性導航系統(tǒng)和GPS提供的數據，計算出所需的舵面運動，以保持火箭在預定的軌跡上。
重型獵鷹的發(fā)動機配備了推力向量控制系統(tǒng)，可以調整發(fā)動機噴口的方向來改變火箭的姿態(tài)。通過控制發(fā)動機推力矢量的方向，火箭可以實現旋轉、傾斜和穩(wěn)定等動作，以滿足導航和控制的要求。
關鍵技術
“重型獵鷹”運載火箭具有非常高的運載系數，使用了大量先進的航天材料和技術，如2195鋁鋰合金、液態(tài)氧/煤油發(fā)動機、交叉輸送（Cross-Feeding）技術、結構冗余設計和火箭復用技術等。
火箭復用
火箭復用技術（重復使用）可將發(fā)射費用降低1個數量級，是控制發(fā)射費用的有效手段。SpaceX在研制“重型獵鷹”運載火箭時已經使用了該項技術，如火箭后蓋加蓋了特制擋熱板，可以保護“重型獵鷹”運載火箭重返大氣層時免遭燒壞損毀，以便回收利用。
全箭冷分離
鑒于火箭回收的需要，獵鷹系列火箭摒棄了機構低成本、結構簡單、工作可靠的火工分離技術，而采用全箭無損的冷分離技術，包括冷氮噴射和機械式推桿等，主要應用于火箭的整流罩分離、級間分離以及著陸腿的展開過程中。目前獵鷹系列火箭已經執(zhí)行超過60次發(fā)射，從未出現因分離機構失效而導致的事故，因此其事實可靠性達100%。并且通過首飛驗證了助推器側向分離，對于未來運載火箭分離結構的設計有著相當的借鑒意義。
高安全性設計
“重型獵鷹”運載火箭繼承了獵鷹-9火箭的冗余設計，能夠在多臺發(fā)動機發(fā)生故障的情況下繼續(xù)工作并完成發(fā)射任務，結構安全余量設計達40%，而其他不載人火箭的安全余量為25%。除滿足貨物運輸的發(fā)射需求外，也能夠滿足載人航天飛行的要求。
該設計在獵鷹9火箭上得以驗證。2012年10月7日，獵鷹-9火箭在執(zhí)行國際空間站任務中，火箭飛行約79s后，一子級1臺發(fā)動機突然失壓，發(fā)動機關機。隨后，為保護一子級發(fā)動機和其他發(fā)動機，發(fā)動機艙開始釋放壓力，故障發(fā)動機未發(fā)生爆炸，并能持續(xù)收到其數據，其他8臺發(fā)動機工作正常。在這種情況下依然成功完成了主要任務，證明火箭的冗余設計的有效性。
自主飛行安全系統(tǒng)設計
為了實現“重型獵鷹”運載火箭的回收任務，采用了新研發(fā)的“自主飛行安全系統(tǒng)”（AFSS）。在“重型獵鷹”運載火箭箭發(fā)射任務中，芯級和2枚助推器都會垂直受控返回地面，實現重復使用，即“重型獵鷹”運載火箭后，將有3枚火箭子級同時返回。但是受設備限制，負責卡納維拉爾角發(fā)射測控跟蹤任務的美國空軍第45航天聯隊只能同時跟蹤⒉個飛行目標。而采用“自主飛行安全系統(tǒng)”則不會受到跟蹤目標數量的限制，依靠箭上的GPS來判斷火箭是否偏離了預定的安全飛行路線，如果出現了偏離情況且火箭必須要進行自毀，該系統(tǒng)就會自行下達自毀指令。
這種自主化的跟蹤技術不僅可以大幅降低發(fā)射成本，而且還可以縮短發(fā)射時間。該系統(tǒng)只需要82名工作人員，且可以簡化大部分地面設施。在顯著降低發(fā)射成本的同時，有效縮短了空軍用來準備發(fā)射的時間。和傳統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)相比，“自主飛行安全系統(tǒng)”還能夠擴展跟蹤的飛行范圍。該系統(tǒng)下達指令的速度更快，相比人工操作，自主化操作方式能夠提前數秒完成火箭的自毀。如果應用到載人火箭上，該系統(tǒng)的運作方式大致相同，但在火箭自毀之前，將為乘員逃離留出時間。
性能數據
發(fā)射記錄
發(fā)射意義
促進重型火箭研制理念持續(xù)革新和發(fā)展
在研制重型獵鷹過程中，Space X公司并不過度追求技術上的先進，也不受限于傳統(tǒng)的研制思路，而是基于商業(yè)運營考慮和自身技術基礎，采用了多發(fā)并聯、重復使用、大長細比的設計理念，創(chuàng)新性地達到火箭性能和成本的要求。這雖然也是Space X公司基于自身技術基礎的一種無奈之舉，但其不為傳統(tǒng)思維所限、敢于突破常規(guī)的創(chuàng)新精神和勇氣卻恰恰是火箭得以成功研制和飛行的重要基礎。在航天發(fā)展歷程中，基于當前的材料、工藝、設備和理論基礎所形成的研制經驗、方法和理念，并不是一成不變的，而是會隨著技術的發(fā)展持續(xù)更新。
加快深空探測及載人探測步伐
2017年9月29日，Space X公司對外發(fā)布了改進的“星際運輸系統(tǒng)”（ITS）。為減少經費，ITS助推級（BFR）直徑縮至9.14米，采用31臺猛禽發(fā)動機，整個系統(tǒng)具備150噸的LEO運載能力。馬斯克表示，鑒于BFR研制工作所取得的進展，重型獵鷹將來很可能不會用來發(fā)射載人飛船，公司未來的研制重點將放在執(zhí)行火星殖民計劃的BFR上。
明顯可以看出，重型獵鷹的研制其實也是為BFR重型火箭進行技術儲備，兩者在技術上具有太多共同點，包括多臺發(fā)動機并聯、垂直回收和重復使用等。重型獵鷹首飛成功后，Space X將加快對BFR的研制步伐，以支撐其深空探測和載人深空任務。
加劇火箭發(fā)射市場競爭態(tài)勢
美國航空航天局在航天飛機退役后將重心轉向深空探測，近地軌道業(yè)務主要由私營航天企業(yè)承擔。獵鷹重型火箭的首飛成功，標志著私營企業(yè)的發(fā)射能力已經從近地軌道、中小型載荷拓展到了火星軌道、大型載荷。同時，美國藍源公司也在研發(fā)近地軌道運載能力達45噸的新格倫火箭，大力搶占商業(yè)衛(wèi)星、載人航天和深空探測發(fā)射服務市場。提供全方位的發(fā)射服務未來將不再是國家主導的航天產業(yè)的“專利"。
與傳統(tǒng)航天企業(yè)相比，私營航天公瞑有更強的市場意識和靈活的應變機制，能夠結合市場需求和有限的技術能力制定實施發(fā)展戰(zhàn)略，沖擊國際發(fā)射市場。根據2017年世界發(fā)射記錄，Space X公司憑借低廉的發(fā)射價格、可靠的性能獨家發(fā)射18次，涵蓋空間站貨運、通信衛(wèi)星乃至國家安全等多個領域，與聯合發(fā)射聯盟、阿里安等傳統(tǒng)廠商形成競爭。在獵鷹重型首飛成功后，Space X公司的業(yè)務進一步拓展，可以承擔深空探測飛行器、大型載荷乃至美國空軍和國家偵察辦公室有效載荷的發(fā)射，將對火箭發(fā)射市場帶來重要影響。
發(fā)展前景
“重型獵鷹”運載火箭未來主要的應用市場是發(fā)射大型國家安全載荷（可將載荷直接送入地球同步軌道）、載人登月飛船和行星資源開發(fā)及大型科學載荷等。
未來，該火箭將目標瞄準大型載荷、多任務飛行和執(zhí)行深空探索任務等，并參與競爭美國國家安全載荷發(fā)射任務，憑借低成本優(yōu)勢，為美國政府提供重要發(fā)展機遇，幫助其實現經濟可負擔的和可持續(xù)的空間探索發(fā)展目標，推動運載器技術領域的良性競爭，并對未來商業(yè)發(fā)射市場態(tài)勢產生重大影響。隨著火箭工程技術的不斷進步，“重型獵鷹”運載火箭的運載能力有望得到進一步提升。通過優(yōu)化火箭結構、提升發(fā)動機性能、改進燃料效率等手段，可以使獵鷹重型能夠承載更大質量的有效載荷，滿足未來更多復雜任務的需求。
參考資料 >
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“新格倫”火箭簡析及其與“獵鷹重型”火箭的對比.cnki.2023-12-16
SpaceX enters the realm of heavy-lift rocketry.spaceflightnow.2023-12-16
美國“獵鷹重型”運載火箭.cnki.2023-12-16
Space X獵鷹重型火箭完成首個商業(yè)載荷發(fā)射,并成功回收三枚一級火箭 中國馬斯克們的春天還有多遠?.cnki.2023-12-16
獵鷹重型火箭發(fā)射的通行證——有關靜態(tài)點火那些事兒.cnki.2023-12-16
美“獵鷹重型”運載火箭完成靜態(tài)點火測試.國家航天局.2023-12-16
“獵鷹重型”火箭成功首飛及其未來應用前景分析.cnki.2023-12-15
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美國“獵鷹重型”火箭蓄勢待發(fā).人民網.2023-12-15
Falcon-users-guide.mit.2023-12-16
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SpaceX公司提前一分鐘取消“獵鷹重型”火箭發(fā)射ViaSat 3 Americas衛(wèi)星.每日經濟科技.2025-07-29
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美“靈神星”號探測器啟程探索金屬小行星.新華網.2023-12-12
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創(chuàng)造奇跡的“獵鷹重型”火箭.國家航天局.2023-12-26