重型猎鹰采用的是3个猎鹰9火箭一级芯并联的设计,这个设计思路称为CBC模式(Common Booster Core),也就是火箭助推方案采用多个通用助推并联的设计,核心级和助推火箭一样了。CBC方案一方面提高火箭的运载能力,另一方面则尽可能降低助推结构的研发成本,这样的设计只需采用一套火箭发动机就能满足需求,就像重型猎鹰一样,3芯并联第一级共采用了27台梅林1D发动机,箭体结构都能通用了,适合规模化生产。
严格来讲,为什么是3个芯并联其实并没有严格的限制,之所以采用这种结构一方面考虑火箭的共振等可靠性问题,毕竟发动机越多越容易出事,不然就跟苏联的N-1一样(一级装了30台NK-33);第二满足运载要求就足够了,并联太多也是一种浪费。其实,只要能够克服多芯并联带来的助推结构可靠性、共振、火箭姿态控制等问题,同时不考虑发射成本,5芯并联理论上也是可以的。
其实CBC三芯并联的方案也是一种折中和取巧,在研发超重型火箭存在种种困难的条件下,以相对简单的方法和可靠的技术尽可能的提高火箭运载能力也是一种很好的思路,虽然土星5火箭5台F1发动机的方案更理想,但成本和技术难度实在太高。目前采用CBC三芯并联的火箭都是重型火箭,分别为宇宙神5、德尔塔4、重型猎鹰以及安加拉5。

图1 德尔塔4火箭

图2 安加拉CBC三芯并联
“一大三小”三角助推布局并不是想象中那样,这种布局在运载火箭历史上几乎没有过。小助推火箭为了箭体平衡都采用偶数的布局,要么2,要么4,好像只有美国德尔塔某型号实验过1个和3个的助推,但都是为了试验和验证、但并未正式投入使用。
补充说明:猎鹰重型火箭的技术含量就体现在它的动力学控制及优化上,三组发动机,开始芯级节流,两侧助推级发力,避免了共振现象;后面芯级发力,通过优化的控制算法,确保了正常的发射。猎鹰重型完美展示了用一系列相对落后的发动机通过优化控制实现大推力的能力。我国未来也可以采用这种方式实现载人登月,而且我国的类似发动机比梅林-1D的性能还要好。
你知道工业产品怎么才能够最大可能地降低成本吗?很简单,规模化、流水线式地生产。这样从原料、零件生产、组装装配、测试、工人培训管理都可以重复化执行,把效率提高到最高,比如说下图中的流水线生产汽车,已经把汽车价格几乎压到了白菜价。

但是现代高科技工业产品又有一个特点,就是定制化,所以就意味着你一般不能够把每个产品都生产的一样。比如说火箭发射卫星,有的卫星就一吨重,有的卫星十吨重,你用能发射一吨重的火箭发射十吨重的卫星发射不上去,你用能发射十吨重的火箭发射一吨重的卫星发射,所以说以前的火箭都是一整整出来一个家族,有的火箭负责发射一吨重的卫星,有的火箭发射十吨重的卫星,比如说中国人最为熟知的“长征”全家桶【如下图所示】,再下面的还有美国的火箭家族【包括了SpaceX】。


但是这就有个问题了,为了生产不同的火箭,我就要准备不同的生产线,彼此之间还不能互用。另外就是,制造一枚火箭价格不菲,而且工期很长,但是偏偏我可能今年连着接到十个订单让我发射一吨重的卫星,明年就一个这样的订单都收不到,你说我发射一吨重的火箭生产多少?流水线敢不敢马力全开?
种种的问题,让火箭的价格一直居高不下——简单来说,就是没法规模化、流水线式地生产。
而SpaceX公司就想到了一个办法——实际上这个办法一点儿都不神秘,甚至于每个人都会:模块化生产,又叫搭积木。
简单说,有的卫星一吨重,那我造发射一吨重卫星的火箭,有的卫星十吨重,那我就把十个能发射一吨重的火箭绑在一起,把这颗卫星发射上去——这于是就有了三发差不多大小的助推器。
所以说,我们看一下下图中SpaceX火箭家族,对比一下传统火箭家族,最大的不同就是传统火箭家族中,火箭有长有短、有粗有细,而SpaceX家族基本上主体部分差不多——这就意味着,他们可以轻松用相同的零件拼出来他们想要的定制化的火箭。

那刚刚说到的问题就好解决了,反正就是拼命生产主体部分就好了,先生产一百个,你过来什么样的卫星,我拼拼凑凑就给你发了,你也不用等我,我也不用等你,我生产线拼命生产就好了。而且生产出来的东西基本上都是一样的,甚至于还是可回收的,你说我效率有多高?
所以这就是为什么SpaceX一下子能够把火箭发射价格压的惊人的低的原因。
但是SpaceX这样的做法也是有问题的。
有一种东西叫做可靠性,可靠性这个东西最怕的一个就是叫串联,就好像一堆开关串在一起连了一个灯泡,哪个开关断开了,灯泡就要熄灭。
简单来说,我一个零件可靠性可能有90%,但是如果一个装置我要三个相同的零件连在一起才能够工作,那么整个装置的可靠性一下子就变成了90%*90%*90%=72.9%,一下子降低了很多。如果是十个呢?可靠性变成了30%左右了。
所以说,串联的东西很不稳定,这也是现在很多火箭相关企业明知道模块化好,但是迟迟不敢用的原因。你看下面这个猎鹰重型火箭密密麻麻的喷口,哪个坏了,任务就算完蛋了——正所谓不怕一万,就怕万一,东西多了,没准哪个就坏了。

不过怎么说呢,SpaceX确实是航天市场一匹黑马,他的很多做法非常新锐,虽然冒险,但是我觉得值得,也确实成果斐然、不容否定。马斯克本人也很有魄力,应该算的是非常厉害的企业家。
