二、猎鹰腾飞

在许多飞行器研发过程中，一定程度上忽略发动机的研发工作并不是什么稀罕事，因为已经有很多现成的不同推力的发动机可供选择。但这一情况如果跟航天运载系统扯上关系，那就是两回事了。

定制发动机占目前运载火箭的研发费用中相当大一部分。近十年来，火箭发射公司一直采用通用的发动机成品，洛马公司选择了俄制RD-180发动机作为其“宇宙神-5”运载火箭的第一级推进器，轨道科学公司采用改造的俄制NK-33发动机作为其“金牛座-2”运载火箭的推进器。

SpaceX公司本可选择与洛马公司和轨道科学公司相同的发展路线，但其选择自行研发发动机，事实证明“灰背隼”发动机的设计非常成功。

“灰背隼”发动机是由汤姆·穆勒设计的，它的设计较为简单，以液氧和火箭煤油为推进剂，采用简单的开式循环（即燃气发生器循环），而非分级燃烧循环。与需要在不同地方混合燃料和氧化剂的复杂发动机不同，其使用了单喷注器，即针栓式喷注器。该喷注器技术借用了一些已经过飞行验证的发动机上的相关技术，是“灰背隼”发动机的核心。得益于针栓式喷注器独特的喷注方式及燃烧流场，该发动机可在多种工况下工作，具有燃烧稳定性与可调性。发动机海平面推力可达512千牛，很适合在第二级和轨道级上应用。

从零开始设计一款火箭发动机不是件简单的工作。2003年10月，穆勒和他的团队表示他们已准备好对“灰背隼”发动机进行试车。令人遗憾的是，试验结果不尽如人意——试车过程中，高温气体熔化了发动机喉道，同时也影响到了用于控制推进剂的密封材料。60秒后，工程人员决定中止试验，如果继续试验则可能发生爆炸。在之后的15个月里，穆勒和他的团队逐一排查事故原因。排除故障之后，工程人员立刻开始进行第二次试验，最终试验顺利结束，不仅展现了“灰背隼”发动机出色的性能，同时也成为继20世纪70年代末期洛克达茵公司研制的航天飞机主发动机后的第二型机。

“灰背隼”系列发动机历经多次改进（见图1-3），被安装在SpaceX公司的“猎鹰-1”、“猎鹰-9”火箭上。该系列发动机的物美价廉使SpaceX公司更为经济的发射入轨工作成为可能。同时，这样一种基本型发动机的研制，也让工程人员快速积累了经验。为了实现奔向火星的宏伟目标，SpaceX公司还在“猎鹰-9”火箭上和“龙”飞船上采用了自研的“天龙座”（Draco）姿轨控发动机，并且不断开发性能更加强大的改型。

由于SpaceX公司成立后资金紧张，马斯克决定开发一个小型实用的运载火箭。SpaceX公司吸取了以前运载火箭发射失败的经验教训（其中大部分是发动机、航电设备故障或级间分离失败），把可靠性摆到了十分重要的位置。为此，有两个关键性技术点，一个是将第一级设计成为可回收利用的；另一个是把推进和分离阶段的风险降到最低，这一目标通过使“猎鹰-1”发动机数量最小化来实现。为确保可靠性，“猎鹰-1”所有的设计决策都经过了全面的测试，从零件级质检和工艺测试、结构载荷、飞行测试到飞行系统、推进子系统测试和验证测试，在飞行器发射之前进行成千上万次的检查。

“猎鹰-1”研制进度堪称快速，2003年年初开始制造原型火箭。经过一年左右时间，2003年12月3日，SpaceX公司在华盛顿美国联邦航空管理局大楼前的街道上揭开了原型火箭的面纱。2004年9月，SpaceX公司就赢得了美国国防高级研究计划局（DARPA）的合同，其中包括在夸贾林进行一次“猎鹰-1”的发射。

2005年11月25日，SpaceX公司准备在里根测试场进行“猎鹰-1”的第一次发射。试验并不顺利，阀门故障导致发射任务被取消。此后四个月，又经过了两次准备发射，然而一次燃料箱变形，另一次发动机点火试验时第二级的推进剂泄漏，都没能成功进行试飞。

2006年3月24日，SpaceX公司第四次准备发射，“猎鹰-1”迎来了首次真正的发射试验。格林尼治时间22：30，“猎鹰-1”从发射台起飞，状态稳定。起初，一切都似乎按照计划进行，直到约25秒，发动机上的火焰影响了氦气系统，造成发动机在第34秒停机，“猎鹰-1”坠海。由于“猎鹰-1”配置的是发动机切断靶场安全系统，而不是自毁装置，运载火箭几乎完好无损地落到了距离发射点不远的一块礁石上。发射失败4个月后，SpaceX公司公布了DARPA“猎鹰”返回飞行调查组的调查结果：在起飞前400秒，燃料已经开始泄漏，发射时“灰背隼”主发动机启动即点燃了泄漏的燃料。

时隔一年，2007年3月21日，进行了“猎鹰-1”第二次飞行试验。火箭的第二级燃烧两分钟后失去飞行控制，火箭入轨失败，发射不完全成功。机载视频录像显示第二级发动机在分离时与发动机舱内壁发生了摩擦。

2008年8月3日，第三次发射，“猎鹰-1”火箭从里根测试场发射仅两分钟后，火箭开始震颤，发出异常声音，最终与地面失去联系。火箭上搭载着美国国防部和NASA的3颗人造卫星，以及208名希望将骨灰撒向太空的死者骨灰。公司从沸腾陷入寂静，马斯克面临巨大的压力——如果第四次还是失败，SpaceX将无力承担第五次发射。

经过接二连三的失败，两个月后的2008年9月28日，第四次发射“猎鹰-l”，火箭升上天空，进入了预定轨道，也终于为SpaceX公司6年多的努力画上了一个感叹号（见图1-4）。

历经挫折和推迟，SpaceX公司成功证明了其有耐心和实力在每一次失败后都能够改进和创新，同时兑现了在商业航天中拥有一片天地的誓言。在经历了数次延误和紧急中止后，“猎鹰-1”火箭的成功发射成为了一个重要的里程碑，最低的发射价格和新的航空航天时代诞生了。“猎鹰-1”火箭每次发射标价仅790万美元。

2009年7月14日，SpaceX公司发射了第5枚“猎鹰-1”运载火箭，将马来西亚政府地球观测成像卫星RazakSAT送入了轨道。这是“猎鹰-1”首次将一颗卫星送入太空，标志着SpaceX公司在竞争激烈的商业航天领域赢得了一席之地。此后，“猎鹰-1”就再也没有发射过，取而代之的是可以搭载大约1吨有效载荷的“猎鹰-9”运载火箭。

“猎鹰-1”展现了扎实的工程设计水平，其成果被转移到“猎鹰-9”的研发之中，使得后者从开始设计到第一次发射只用了4年半的时间（2005年12月到2010年6月）。该火箭的发动机、电子设备及地面系统的设计、制造、测试工作都是由SpaceX公司完成的，花费不到3亿美元。

“猎鹰-9”是一种两级火箭，由液氧和煤油火箭发动机提供动力，第一级有9个发动机，这也是名字中“9”的由来，当一个发动机出现故障时，“猎鹰-9”仍然能够安全完成任务。它的设计目标是为SpaceX公司提供效费比高的运送卫星到近地轨道（LEO）和同步轨道的服务，运送“龙”飞船，以及运送货物或宇航员到轨道的目的地，如国际空间站。

经过数次延期之后，2010年6月4日，“猎鹰-9”于美国东部时间14：45在卡纳维拉尔角空军基地成功首飞。遥测证实“猎鹰-9”能够到达接近250千米的轨道。在接受媒体采访时，马斯克承认公司接受了来自NASA的帮助，但也指出，“猎鹰-9”标志着一个以商业和政府联合、由商业公司担任主要角色的航天时代的到来。

2010年12月8日，“猎鹰-9”第二次飞行，实现了“龙”飞船有史以来第一次在轨试验，SpaceX公司成为历史上第一个实现航天飞船从地球轨道再入的商业公司。2012年5月22日，“猎鹰-9”搭载“龙”飞船第三次发射升空，“龙”飞船成为第一架飞往国际空间站的商业运输飞船。此后，“猎鹰-9”作为NASA商业轨道运输服务平台正式开始太空之旅，取代航天飞机向国际空间站运送货物和人员。直到本书完成的2014年4月，“猎鹰-9”共连续成功进行了9次飞行（见图1-5、图1-6、图1-7）。

2011年7月13日，SpaceX公司在范登堡空军基地为其正在研制的“重型猎鹰”运载火箭举行了发射设施动工仪式，这标志着“重型猎鹰”运载火箭的研制工作正式启动。2012年5月，SpaceX公司和卫星服务商Intelsat公司达成“重型猎鹰”火箭发射的商业协议。“重型猎鹰”火箭使SpaceX公司进入重型运载火箭市场。根据SpaceX公司标准说明书，“重型猎鹰”火箭能够将53吨的卫星或飞船送入近地轨道，其运载能力是波音公司“德尔塔-4”重型火箭的两倍。该火箭发动机将采用“灰背隼”发动机的升级版，这使得“重型猎鹰”的开发和运营会拥有极高的性价比。“重型猎鹰”火箭的设计力求极高的可靠性，要保证在几台发动机失效的情况下仍能完成任务（见表1-2）。

除了“重型猎鹰”火箭之外，SpaceX公司可能会构建一个“超重型猎鹰”。马斯可一直表示，他打算继续降低发射成本，提高能力，这意味着“重型猎鹰”火箭并不是SpaceX公司的火箭家族中的最后一种火箭（见图1-8）。

“猎鹰-9”被广泛视为商业上的成功案例，自2009年以来，该公司获得了商业发射市场10亿美元的业务，公司仅在2012年就有14个发射合同，使SpaceX公司保持了世界上增长速度最快的发射服务商的地位（见图1-9）。