艾倫·馬斯克的終極夢想——可重復使用運載火箭

□ 張雪松

執行國際空間站貨運發射任務的“獵鷹”9號V1.1火箭

2014年4月18日，Space X公司的“獵鷹”9號V1.1型火箭執行國際空間站貨運發射任務時，第一級箭體成功實現了受控再入和軟落水，“蚱蜢”試驗飛行器也連續成功，這似乎預示著Space X可重復使用運載火箭的研制已經看到了勝利的曙光。

作為一家新興航天企業，Space X在不過十二年的歷史上，取得了舉世矚目的成績。他們的“龍”貨運飛船和“獵鷹”9號運載火箭的研制都只花了三億美元左右，堪稱物美價廉；獵鷹系列火箭使用的“灰背隼”發動機幾經改進，無論是比沖、推重比等性能還是制造工藝和質量，都令人刮目相看；他們還在研制重型獵鷹運載火箭，計劃2015年年初發射，其近地軌道運載能力可達53噸，將成為“土星”5號火箭以來運力最強的運載火箭。

相比于傳統航天公司，Space X的這些成績已經非常出色了，但Space X更大的理想在于廉價進入太空和星際殖民，為了這個宏偉的理想，該公司建立伊始就力圖研制和突破運載火箭的可重復使用技術。

可復使用運載工具的過去

如果我們的汽車只跑一趟就要報廢，如果我們的電腦只能開機一次，那汽車和電腦的使用成本必然高居不下更無法普及。目前運載火箭是人類進入太空的唯一工具，不過從1957年第一顆人造衛星發射成功以來，運載火箭都是一次性使用的，航天專家們對一次性運載火箭的劣勢心知肚明，也一直做出大量的努力攻關可重復使用的航天運載工具。美國航宇局和美國空軍聯合研制的可重復使用的航天飛機曾帶來了一線曙光，但航天飛機投入使用后人們尷尬地發現，其發射成本居然比一次性的運載火箭還要貴，加上挑戰者號事故，美國空軍最終退出了航天飛機項目，投資研制漸進一次性運載火箭(EELV)項目，從而誕生了目前世界運載火箭中首屈一指的“宇宙神” V和“德爾它” IV系列火箭。不過性能再強大，技術再先進的一次性運載火箭畢竟也只能一次性使用，仍然要面對發射成本高的困境。雖然由于人力物力成本的不同，世界各國的一次性運載火箭發射成本參差不齊，但普遍在數千美元每千克的級別上，這也導致全世界的航天產業無法全面商業化，而是極為依賴政府投資。

世界航天工業界一直以極大的熱情和投資研制可重復使用的運載工具，這其實并不奇怪，一次性運載火箭成本控制得再好，對有效擴大市場規模來說也無濟于事。理論上只有通過重復使用才能極大地降低成本，使人類有能力進行大規模太空商業開發。各國航天機構幾十年來投入巨資進行可重復使用運載工具的研制，提出了多種方法，嘗試了各種途徑。典型如美蘇兩國的航天飛機，其中美國的航天飛機設計中可重復使用的軌道器自帶三臺主發動機，而蘇聯的航天飛機軌道器沒有主發動機，嚴格地說蘇聯的暴風雪號航天飛機很難說是運載工具。至于歐洲和日本曾研制的小型航天飛機，更是由一次性運載火箭將重復使用的軌道器直接送入軌道，這樣的概念到是和現在仍在太空飛行的X-37B幾乎一樣。美日歐等國還曾提出使用超燃沖壓發動機的空天飛機設計，但由于發動機、熱控和飛控等技術問題，最終都胎死腹中。目前人們正在研究第一級重復使用、第二級一次性使用的可重復使用運載工具模式，希望通過降低要求降低難度和風險，最終過渡到完全可重復使用的運載工具，并最終降低發射成本。

“獵鷹”9號火箭豎立在發射臺上

堅持夢想的Space X

Space X成立于2002年，創始人艾倫·馬斯克在建立這家公司時不僅提出了星際殖民的遠期宏偉目標，隨后還提出了大幅度降低發射成本的目標。2004年馬斯克表示，他認為未來可以將發射成本降低到500美元每磅或是更低。2005年9月8日Space X公開“獵鷹”9號火箭的研制計劃時，聲稱這是一種可重復使用的運載火箭，將會以2700萬美元的價格將9.5噸的載荷送入近地軌道，平均每磅的發射費用僅有1286美元。時至今日，一次性使用的”獵鷹”9號V1.1火箭以5650萬美元的發射報價，可以將13.16噸的載荷送入近地軌道，平均每磅的發射費用1949美元，雖然離當初的目標還有一定距離，但已經是目前最便宜的運載火箭了。

“獵鷹”9號的成功固然令人振奮，但對比2005年的指標，火箭發射成本仍然上漲了將近一倍，如果考慮到“獵鷹”9號很多發射并不是滿負荷的發射，實際的單位發射成本還要更高，Space X的火箭雖然號稱廉價，但還是太貴了。唯有重復使用才能降低發射成本，2011年馬斯克曾針對“獵鷹”9號火箭作了具體分析，稱“獵鷹”9號V1.0火箭的液氧煤油推進劑，包括第一級39000加侖的液氧和25000加侖的煤油、第二級7300加侖的液氧和4600加侖的煤油的總成本僅有20萬美元，而當時“獵鷹”9號火箭發射報價高達5400萬美元。馬斯克豪情萬丈地表示，通過運載火箭的重復使用，未來將發射成本降低為現在的百分之一也是可能的，至少也要做到現有發射成本的1/20。當然Space X的現實目標暫時還沒有這么樂觀，2013年6月公司COO Gwynne Shotwell在新加坡衛星工業論壇表示，該公司尋求通過重復使用將“獵鷹”9號火箭的發射價格降低到500萬～700萬美元，或者說現有發射價格的1/8到1/10。Space X要實現這個令人激動的目標必然要付出艱苦的努力，但一旦變成現實將徹底改變航天發射市場，甚至整個航天工業體系。

Space X的復用技術

Space X畢竟是一家歷史很短的公司，它通過“獵鷹”1號火箭的最終成功，證明了自己研制的運載火箭能夠經受實際發射飛行的考驗，并為“獵鷹”9號的成功奠定了基礎。那么在“獵鷹”1號時代研制可重復使用技術，自然也不會多么靠譜。Space X最早試圖使用降落傘海上回收獵鷹火箭的箭體，打撈后運回重復使用，不過“獵鷹”9號火箭的前兩次發射中，降落傘著陸落水方式都以失敗告終，其中第一次發射試驗中第一級箭體分離后甚至沒有收到遙測信號，第二次收到了遙測信號但第一級仍在再入大氣層的過程中破碎解體。接連的失敗證明無控再入大氣層的設計并不可行，再考慮到降落傘軟著陸方式面臨的著陸區氣象條件和周轉速度等實際困難，Space X轉向其他的技術路線，開始研制火箭反推返回發射場的復用技術，并應用在“獵鷹”9號V1.1型火箭上。

火箭發動機的比沖要比航空噴氣式發動機的等效比沖低得多，多數運載工具重復使用方案不是助推級使用降落傘減速著陸/落水，就是火箭發動機關機后啟動噴氣發動機巡航返回。對比主流的可重復使用返回概念，Space X的火箭反推返回發射場并降落比較新穎，但并非革命性的創造。美國航天飛機就有名為返回發射場(RTLS)的發射中止方式，使用主發動機反推減速后再加速返回肯尼迪發射場，不過航天飛機在RTLS方式飛行中有很長一段飛行屬于無動力滑行，著陸也是常規方式。太空探索公司當年的戰友Kistler公司的K-1運載火箭第一級同樣使用火箭反推返回發射場的設計，使用NK-33發動機的K-1火箭第一級將在約4馬赫時關機分離并啟動發動機返回發射場，不過K-1第一級使用降落傘軟著陸，與“獵鷹”9號V1.1型火箭仍有一些區別。要說和“獵鷹”9號V1.1最像的，當屬俄羅斯馬卡耶夫設計局的ROSSIYANKA火箭，它的第一級同樣使用火箭發動機反推返回著陸場并垂直著陸的概念，不知道馬斯克手下的工程師們是否受到了它的啟發。不過馬卡耶夫設計局并沒有資金支持垂直起降(VTVL)的ROSSIYANKA火箭從紙面變為現實，而Space X的“獵鷹”9號V1.1火箭，在第四次發射中就成功實現了受控完整再入和軟落水。

“獵鷹”9號V1.1火箭著陸腿支架結構細節

“獵鷹”9號V1.1火箭重復使用的兩個關鍵難題，一個是受控再入大氣層，另外一個就是從高速狀態受控垂直降落，針對這兩方面的技術難關，Space X選擇在實際發射中驗證第一級受控再入技術，同時研制了名為“蚱蜢”的垂直起降試驗飛行器驗證垂直降落的控制技術。最近這兩方面都收獲了成功，Space X “獵鷹”9號V1.1火箭第一級火箭飛回發射場的試驗已經不遠了。

Space X的可重復使用試驗

2013年9月29日“獵鷹”9號V1.1火箭的第一次飛行中，Space X就試驗了火箭第一級受控再入的技術。“獵鷹”9號V1.1火箭的首次發射是一次驗證性質的飛行，只攜帶了加拿大實驗通訊衛星CASSIOPE和數顆小衛星，除了驗證能否將載荷順利發射入軌，它更大的價值在于進行第一級可重復使用的技術驗證。

或許是由于大量新技術的使用，以及可重復使用試驗的技術難度，這次發射前Space X稱試驗成功的可能性大概只有10%，真可謂九死一生。不過火箭的實際飛行結果表明，他們的運氣真不錯。火箭第一級發射升空163秒后主發動機關機，第170秒火箭一二級分離。火箭第一級分離后使用冷氣RCS系統控制飛行姿態，隨后發動機進行了兩次重新啟動，第一次重啟動降低了火箭的速度，隨后火箭成功受控完整再入大氣層，不過遺憾的是，由于姿態控制能力不足，發動機第二次重啟動后，火箭出現了自旋現象導致發動機過早關機，最終火箭第一級以45米每秒的速度砸向海面，墜毀于距離發射場范登堡空軍基地西南幾百英里外的太平洋里。雖然這次可重復使用試驗并沒有成功，但也絕不能用失敗來形容，用公司CEO艾倫·馬斯克的話說：距離成功只有一步之遙。

“獵鷹”9號V1.1火箭隨后的兩次發射并沒有進行第一級受控再入落水的試驗，但space X的工程師們表示，他們已經找到了第一次試驗姿態失控的原因，據稱主要是由于冷氣RCS控制能力不足所致。工程師們表示火箭裝上四個著陸腿，在下落過程中展開后，配合冷氣RCS即可提供足夠的控制能力，不會再次陷入失控的自旋。2014年4月18日“獵鷹”9號V1.1火箭的第四次發射，進行了火箭第一級的第二次可重復使用試驗。

俄羅斯馬卡耶夫設計局的ROSSIYANKA火箭飛行示意圖

俄羅斯馬卡耶夫設計局的ROSSIYANKA火箭的結構

“獵鷹”9號V1.1火箭進行受控軟落水時，第一級發動機在靠近海面附近進行第三次點火

相對于國際空間站貨運任務的波瀾不驚，這次“獵鷹”9號的第一級能否完整回收吸引了航天愛好者們更多的目光。美國東部時間4月18日下午3時25分，火箭發射升空，第163秒后第一級發動機關機隨后分離，火箭第一級的發動機隨后成功進行了第二次點火和關機并順利穿過了大氣層。艾倫·馬斯克在推特網站發表的推文顯示，火箭第一級下落到距離海面8500米的高度時速度約為360米每秒，而且姿態控制良好。在良好的姿態控制下，火箭第一級的第三次點火工作也獲得了成功，第一級落水后仍繼續發送信號，證明第一級完整落入海中，不過8秒后第一級倒下轉為水平后信號才終止。Space X事后發布了箭體攝像機拍攝的原始視頻，雖然視頻質量極差但仍可以看到點火的過程，為第一次成功的軟落水留下了珍貴的資料。這次試驗的成功，標志著火箭重復使用已經跨過了最困難的受控再入和軟著陸的難關，具有極為重要的價值。

Space X的垂直起降試驗飛行器也不斷獲得成功，第一階段蚱蜢連續進行了多次試飛，并最高飛到744米的高度，原名蚱蜢2現在叫做“獵鷹”9號復用試驗器(F9R)的飛行器也先后進行了兩次試飛，第一次飛行高度250米，第二次達到了1000米，F9R飛行器未來將進行更多的試飛，進一步刷新飛行高度、飛行速度、水平移動距離的記錄，平滑對接再入后的“獵鷹”9號第一級箭體飛行狀態，為“獵鷹”9號第一級火箭從超音速返回發射場并垂直著陸做好技術驗證。

F9R試驗飛行器第一次飛行

受到“獵鷹”9號和蚱蜢飛行器試驗成功的鼓舞，Space X宣布今年還將進行兩次火箭第一級的受控再入試驗，年底可能進行首次火箭第一級飛回發射場并降落的試驗。如果年底的試驗成功的話，Space X將實現人類歷史上第一次飛回式的火箭重復使用，這對期待火箭重復使用的人們來說將是極大的鼓舞。

可重復使用“獵鷹”9號的未來

“獵鷹”9號V1.1火箭以物美價廉著稱，如果未來可以通過重復使用，真的將成本降低到500萬～700萬美元，全世界就更不可能有任何其他運載火箭可以與之競爭了。人類已有的可重復使用運載工具如航天飛機，曾遇到發射價格更高的尷尬，“獵鷹”9號會不會重蹈覆轍，現在還不得而知。

“蚱蜢”垂直起降試驗飛行器

“獵鷹”9號V1.1火箭的重復使用設計相當簡單，重復使用版本與一次性使用版本的差別，主要是增加了使用液氮的冷氣RCS和著陸腿，另外在火箭的飛行控制上也進行了一些改進，研制生產成本差別很小，這與航天飛機為了可重復使用付出巨大的研制和使用成本形成了極為鮮明的對比，也就無需像航天飛機那樣，只有很高的發射頻率才能降低發射成本。根據馬斯克的說法，“獵鷹”9號V1.1火箭重復使用對比不重復使用要付出運力下降30%的代價，航天飛機是以一個100噸級近地軌道運力的發射工具，發射最高不到30噸的可用載荷入軌，僅從這一點上說“獵鷹”9號V1.1的重復使用就有更好的經濟性。航天飛機使用客貨混用的設計，對安全性和可靠性要求極高，而發射頻率一高難免出現問題，但航天飛機理論上的廉價發射成本又是建立在很高的發射頻率上的，這樣的悖論讓航天飛機根本無法降低發射成本。“獵鷹”9號火箭的可重復使用設計可以使用新生產的火箭進行安全性要求很高的載人發射或價格更高的高價值載荷發射，而要求較低的貨運發射則使用回收后再利用的箭體，同時可重復使用型的價格差別也很小，火箭的經濟性無需高發射頻率的支持，從根本上避免了航天飛機面對的巨大風險。

樂觀地說，即使“獵鷹”9號V1.1火箭未來做不到500萬～700萬美元的超低發射報價，但通過重復使用降低發射成本，還是很有希望的。Space X還可以在技術和經驗進一步成熟后，通過小步快跑不斷改進做到更好的復用能力和經濟性，他們很可能為執著研制“高端大氣上檔次”的可重復使用運載工具的航天工業闖出一條新路。