SpaceX的Falcon9 FT火箭是如何做到幾乎不變硬體的同時，大幅增加運載能力的？

F9 FT用著不極限的構型，不極限的發動機，不極限的燃料，卻達到了極限的運載比。更為驚人的是F9 FT比F9 v1.1僅僅增重不到10%，低地球軌道運載能力卻增加了9噸，接近之前運載能力的70%。這實在是太反常識了，請問SpaceX到底對F9做了什麼，是什麼技術讓它大幅增加了運載能力，打了包括我在內的無數人的臉呢？

謝邀

Falcon 9 FT（Full Thrust），獵鷹9號全推力火箭相較它之前的版本進步非常大，

從數據上，

變長了1.6米（從68.4到70米）

質量增加43噸（從506到549噸）

近地軌道有效載荷質量增加了9.6噸（從13.2到22.8）

的確是僅僅外形上長度的變化，而有效載荷已經非常大了。那麼，到底是哪些因素使得這個火箭進步如此之大？

1. Falcon 9 v1.1的公開數據很保守

這是FT之前版本的獵鷹火箭，也是使用最多的，Space-X在它的基礎上做了多次回收實驗。Space-X為了確保火箭擁有足夠的能力進行一級火箭回收（畢竟火箭回收也需要消耗燃料之類的是不？），雪藏了它30%的實際運力沒有公布，換句話說，不考慮回收的情況下它所公布的13.2噸本來就可以再增加30%。

2. 發動機的升級

這個是必然的，能推的多肯定意味著推進能力更強，肯定有發動機的進步。

獵鷹的主力發動機是自家的Merlin 1-D，火箭一級綁9個且可回收，二級綁1個。發動機的燃料是液氧煤油，推力可控。

這個推力可控很重要，它可以實現在39%-100%推力狀態下正常工作。

伊隆馬斯克曾在獵鷹 V1.1時代公開表示，Merlin 1-D最多發揮了能力的85%便已達到今天的水平，而他們的聯合創始人/火箭研發大牛湯姆·穆勒直接說還有30%的空間做再次開發。

目前從v1.1到FT，9個Merlin 1-D的推進能力被從588噸提到了761噸，提高了30%。所以能推動的有效載荷就更多了啊。

而且還是可回收的呢。

3. 關鍵技術的升級

材料做了更新，比如金屬材料換成碳纖維，結構重量減少，所以同等重量火箭當然留下更多空間放燃料和有效載荷。

所有燃料在使用時溫度更低，這就導致液氧和煤油密度更大。液氧冷到-207度，密度比以前大8%，煤油冷卻到-7度，密度增大4%。

第二級變大，所以能在上面裝更多燃料。更高密度燃料的推動能力也更強，燃燒時間更長。

所以是很多技術的改進，到最後是一個看似沒有變化但強大非常多的火箭出現了。

但Space-X的獵鷹火箭潛力還沒有發掘完畢，將在2017年試射的獵鷹重型（Falcon Heavy）火箭，一級將綁27個更新改進版本的Merlin 1-D，能推50多噸有效載荷到近地軌道，如果成功就是目前世界第一了。

誰告訴你不變硬體了。發動機更新多少回了。增壓儲箱都從金屬變成金屬加碳纖維加加強了。從最早的常溫煤油變成過冷煤油了。

外形不變就等於硬體不變，別這麼幼稚好么

先說結論，Faclon9 v1.1的載荷可能是受制於其他原因，或者是因為回收需求才將載荷比較保守的寫在了13.15噸。

SpaceX Falcon 9 Data Sheet

扒了一份falcon9 v1.0和v1.1的各級數據，未必太準確，我感覺干質比普遍估計低了，不過還是有一定參考性的。

按照這些數據,以及獵鷹9 v1.0的LEO數據帶入齊奧爾科夫斯基方程計算（不考慮海平面比沖和真空的差別，不計算整流罩）。

算出來在打相同速度增量的情況下獵鷹9v1.1.的載荷在18噸附近。

而事實上falcon v1.1一級地面比沖和真空比沖的差距相比falcon v1.0更小（前者之差為29s，後者為42s），因為大氣層氣壓損失的速度增量要更小一些，所以載荷應該是大於18噸的。

換一個更簡單的角度角度想，falcon v1.1的一級比沖優於v1.0,二級基本持平，考慮到體積更大，加上出現的時間點更晚，技術更成熟，干質比應該比之前的v1.0更優。這樣的話，v1.1的載荷比至少是不輸v1.0的.

v1.0的載荷比是333t/10.45t=31.866

而v1.1給出的數據是505t/13.15t=38.403

無論發動機還是儲箱相比之前都有一定提升，載荷比反倒是倒退，這也說明13.15噸並不是v1.1的最大數據，v1.1按照v1.0相同的載荷比也至少有15.8噸的載荷。

一年多以前看到過一篇報道說回收情況下，載荷大約損失30%左右（鏈接記不得了），按照這個比例計算，v1.1的LEO載荷極限是在18-19噸，也符合我之前做的18噸的估計。

綜合以上計算，個人看法是，v1.1的13.15噸載荷是一級回收條件下的最大LEO，FT型的22.8噸是不回收條件下的最大LEO。

Falcon FT型一級推力相比v1.1型一級二級發動機推力有所增加。尤其是二級採用了165：1面積比的噴管，發動機比沖增加到了348s。與此同時二級燃燒時間也從v1.1的375s升級到了397s。所以這種情況下增加4-5噸的載荷也是不足為奇了，而增加9噸載荷，只是不同條件下載荷的比較而已。

On November 24, 2013, during a joint teleconference of SES and SpaceX regarding the SES-8 launch, Elon Musk stated that the engine was actually operating at 85% of its potential, and they anticipated to be able to increase the sea level thrust to about 730 kN (165,000 lbf). In June 2015 Tom Mueller answered a question about the Merlin 1D thrust-weight ratios on Quora. He specified that the Merlin 1D has a mass of 470 kg (1,030 lb) including thrust actuators, a current vacuum thrust of 723 kN (162,500 lbf), and an uprated vacuum thrust of 825 kN (185,500 lbf), without an increased mass. These figures provide for a current thrust-weight ratio of ≈158 and an uprated thrust-weight ratio of ≈180.[2] The uprated engines are currently used on Falcon 9 full thrust, an iteration of the Falcon 9 launch vehicle with multiple other changes. The vehicle launched first on Flight 20 with eleven Orbcomm OG2 satellites.

In May 2016, SpaceX announced plans to further uprate the Merlin 1D by increasing vacuum thrust to 914 kN and sea-level thrust to 845 kN; according to SpaceX the additional thrust will increase Falcon 9 LEO payload capability to about 22 metric tons on a fully expendable mission. SpaceX also noted that unlike the previous Full Thrust iteration of the Falcon 9 vehicle, the increase in performance is solely due to uprated engines and no other significant changes to the vehicle are publicly planned.

【來源】Merlin (rocket engine family)