可回收火箭：打造航天“經濟艙”

郭偉

2015年末，美國藍色起源公司和美國太空探索技術公司（SpaceX）先后回收火箭成功。2016年4月2日，美國藍色起源公司首次實現“二手火箭”發射再著陸回收。近日，中國運載火箭技術研究院有關技術負責人也回應媒體稱，我國可回收火箭技術進入攻關階段。

拋卻復雜的技術突破不提，火箭回收意義簡單明了：發射成本有望大幅降低，“低價太空旅行”成為可能。一個面向商業和大眾的航天新時代，行將開啟。

難度有多大？——“在狂風中讓掃帚柄直立于手掌上”

美國太空探索技術公司曾先后三次嘗試在海上平臺回收火箭均鎩羽而歸。

2015年2月12日，獵鷹9號雖然在海面上成功軟著陸，但最終落入水中。

2015年4月14日，由于橫向速度過大，獵鷹9號著陸時未能在甲板上站穩，最終導致傾覆爆炸。

2015年6月28日，獵鷹9號遭遇發射失敗，火箭和其運輸的飛船在高空爆炸解體。

“和海上回收相比，陸地回收火箭相對對天氣和場地要求要寬松，而且手段可以更多，技術相對容易實現。但與在陸地平臺回收相比，海上回收成本更低，也正因如此，美國太空探索技術公司直接向難度更大的海上回收發起挑戰。雖然多次失敗，但勇氣和膽識令人敬佩。”北華航天工業學院機電工程學院宇航制造系副教授焦滿囤介紹，“實際上，簡單或容易只是相對來講，以現有航天技術而言，無論是陸地還是海上回收，都是很大挑戰。”

“難題主要有兩個。”焦滿囤解釋，“首先難在控制火箭姿態。要使細長的箭體垂直精確著陸在指定地點很難。在返回過程中，第一級火箭是通過箭上的液氮推力器來調整姿態的，以應對氣動扭矩和旋轉的影響。要使其幾乎沒有任何滾轉，在降落過程中一直與地面保持垂直狀態，有人形容其難度猶如‘在狂風中讓掃帚柄直立于手掌上。第二大難點是火箭發動機要具有推力可調和多次啟動的功能來實現軟著陸，這也是現有火箭發動機不具備的特性。”

電子控制系統是火箭的大腦，由遍布箭體的各種傳感器獲取火箭飛行的各種參數，然后通過信息匯總、計算，及時調整飛行方案。接著通過各種控制部件，執行指令。可以想見，這把在狂風中兀自直立的“掃帚”，需要一套多么強大的電子控制系統。

今年3月和4月，美國太空探索技術公司又先后兩次嘗試海上回收火箭但最終失敗。競爭對手“藍色起源”則在4月2日再次成功回收火箭。

增大推進劑系統冗余、可調節推力和多次啟動的火箭發動機、主體火箭與助推火箭交叉供給推進劑、電子控制系統……焦滿囤認為，火箭回收要想獲得高幾率成功，還有待上述技術進一步成熟。

錢能省多少？——“回收火箭第一級最高省8成資金”

在回收火箭前，人類早就造出過可反復使用的航天運載工具——航天飛機。

“美國研制航天飛機的目的之一就是為了降低宇航活動的成本。而航天飛機返回后維修量太大，導致成本大大提高，原本估計每次飛行成本約3000萬美元，實際成本卻大大超出。”有專家透露，由于系統過于復雜、再利用成本極其高昂，航天飛機被業內認為是一個失敗的科研項目，其發射費用達到令人瞠目結舌的15億美元。

“可回收火箭的成本價格比航天飛機便宜很多。這不僅體現在發射層面，整個綜合運行和使用成本都不在一個數量級上。”焦滿囤介紹，“無論執行什么任務，航天飛機必須有成員，可回收火箭則可執行無人發射任務。此外，可回收火箭可靈活地根據發射載荷進行調整和改裝，而航天飛機則不同，無論你是把一個衛星帶上去，還是把一個空間站零件帶上去，你花的錢基本是一樣多的。不僅如此，可回收式火箭還可以執行密集頻次的發射，航天飛機的準備和檢查工作則要比火箭繁瑣得多，造成發射周期過長。”

理論而言，火箭的發射成本里面，燃料的費用非常低。以獵鷹9號為例，單次發射費用為5400萬美元，但燃料費用只有20萬美元。“航天發射成本一直居高不下，送1公斤物質上天的成本在1萬至2萬美元，主要原因就是發射航天器的運載火箭是一次性使用的。”焦滿囤介紹，“如果能回收并重復使用第一級，可節省資金80%。如果第二級也能回收并重復使用，發射成本將降至目前的1%。”

但要在未來的實踐中大幅降低成本并非這么簡單。“回收火箭和重復使用火箭仍有一段路要走。”專家表示，必須研制出類似普通飛機發動機那樣可往返天地、重復使用的火箭發動機，降低回收后的維修成本和時間。

“拔下火箭上那些電線束，你會發現它們依然是最初的樣子，金屬仍然有光澤。脫去發動機附近的熱防護系統，我們發現火箭發動機干凈得沒有一點瑕疵，非常漂亮。”美國太空探索技術公司總裁肖特維爾在“獵鷹9號”成功回收后，對火箭主要部件的可重復使用性充滿信心。

影響有多深？——“人類太空探索步伐或將大大加快”

“重復使用將是未來運載火箭發展的必然趨勢，無論在商業上還是在軍事上都有巨大價值。但單純就火箭回收技術而言，毫無疑問在民用航天領域更有用武之地。”焦滿囤認為，這一技術的成熟和普及將改寫現有的全球航天市場。

美國太空探索公司表示，該公司今年一共有18次發射，其中11月將首次發射重型獵鷹運載火箭，這一火箭可將53噸重的載荷送往低地球軌道。一旦發射成功，它將成為全世界在役的運載能力最強的火箭。

“航天器材‘定制的運作模式也在這一輪輪降低成本的實驗中改寫。”焦滿囤介紹，傳統航天業往往采用研發模式，每一枚火箭都需要設計、生產、測試，環節復雜，成本高昂。SpaceX則開啟了流水線化的生產模式，只要一次成功，便可次次成功。通過類似電視、洗衣機一樣的規模生產，大幅度降低成本。

低成本和大運力，將成為決勝未來火箭發射市場的關鍵因素。美國航天基金會2015年發布的統計數據顯示，在2010年至2014年間，全球航天業保持每年6%到7%的穩定增長，其經濟總量達到3300億美元，其中約76%來自商業航天領域。商業航天正成為帶動全球航天經濟發展的引擎。

有專家表示，如同航海一樣，航天時代也即將邁入新的時代，航天正從國之重器、國之大業，慢慢走向商業化和大眾化。航海普及耗時幾百年，但從目前趨勢看來，航天普及要走的路，將短得多。

“從長遠看，可重復使用的火箭能夠降低相關機構進入空間的門檻，還能使人類探訪甚至移居其他星球的夢想成真，大大加速人類進入太空的步伐。”焦滿囤認為，對于中國航天技術研究而言，也應從中獲得啟發，積極引入市場力量，發揮眾創活力，書寫屬于自己的航天新紀元。