一枚火箭如何創造歷史

馬迪

最近網上流行一句玩笑話，教訓一個人不知深淺，常說“你咋不上天？”嚴格來講這句話很有局限性，因為“上天”實在不是什么新鮮事了。回顧飛天的歷史，1783年的熱氣球、1852年的飛艇、1903年的飛機、1961年的載人飛船似乎每隔五、六十年就會有一個重要突破，有人因此預測，下一個轉折點離我們已經不遠了。

怎樣一飛沖天

我們都曾經在物理課本上讀到過這樣一段話：“在地面上向遠處發射炮彈，炮彈速度越高飛行距離越遠，當炮彈的速度達到7.9千米/秒時，將不再落回地面（假設無大氣阻力），而環繞地球作圓周飛行。”可見，想要離開地球，首先得有速度。實際上，由于地球表面存在稠密的大氣層，航天器必需飛到超過150千米的高度上才能擺脫空氣阻力。因此，高度150千米、速度7.9千米/秒，必須同時滿足這兩個基本條件，你就能上天了。

讓一大堆沉重的物體脫離地心引力進入太空，絕不像說起來這么簡單。即使不關注航天，相信你也對發射火箭的高昂費用有所耳聞。畢竟冷戰時期美蘇兩國的太空競賽，差點拖垮了蘇聯經濟。那么現如今，送一顆衛星上天到底需要多少錢呢？即使像美國“太空探索”（SpaceX）這種以發射價格低廉聞名的公司，官網報價（獵鷹9號火箭）也要6120萬美元，折合人民幣3.95億元。

如此高昂的成本，很大一部分消耗在了運載火箭上，其中，箭體、發動機、導航制導控制等設備占去絕大部分。另一個殘酷的事實是：在過去的數十年間，運載火箭一直是極為昂貴的“一次性消耗品”，無法重復使用—將航天器送入軌道后，火箭會直接墜入大氣層焚毀，或漂浮在太空中成為太空垃圾。

如果火箭可重復使用，不就能大幅度降低成本了嗎？這正是研制可重復使用運載工具的初衷。但或許是航天發射的難度和運載工具面對的苛刻環境超出了人們的能力，過去幾十年來人類追求可重復使用運載工具的努力，無一例外全都以失敗告終，直到2015年。

怎樣安全落地

成本可降低的空間越大，潛在的利潤也越多，只看誰能搶占這份先機了。

在剛剛過去的歲末年初，美國太空探索技術公司兩次成功回收火箭的案例成為全球焦點：先是在2015年12月首次成功實現一級火箭的陸地回收，4個月后再次讓一級火箭準確地降落在海中的無人船上。

新聞中的主角、“獵鷹9號”火箭由兩級運載火箭組成。發射時，首先由推力強大的一級火箭點火起飛；2分多鐘后，一級火箭的燃料已消耗大半，此時一、二級火箭分離，減輕負重；隨后二級火箭啟動，用“接力”的方法推動飛船進入預定軌道；一級火箭則進入返回飛行，經過多次點火制動，將下落速度由每秒1300米減速為每秒2米，并落到指定地點。整個過程耗時近10分鐘。

說起來容易，做起來卻是難于上青天。回收航天器并不新鮮，但回收火箭的難度要遠大于航天飛機、飛船和返回式衛星。這是因為越是細長的飛行物，越難以控制其空中飛行的姿態，要使細長的火箭箭體精確地、筆直地落回到地面上，甚至在海上平臺垂直著陸，更是難上加難。海上回收的視頻顯示，當火箭接近無人船時，它的速度逐漸減慢并不斷調整降落姿態，最后著陸前約3秒內，火箭從傾斜約20度迅速調整到垂直方向，體現了卓越的發動機控制和整體姿態控制能力，著陸點與船正中心位置僅有不到10米的極小偏差。

SpaceX曾用過一個比喻：就像發射一根鉛筆，讓它飛躍紐約帝國大廈樓頂后精準落在一塊漂浮的橡皮上，而且還不能倒。要知道，這支“鉛筆”有大概70米高，重達數十噸！質量越大的物體慣性越大，越難控制，想象一下你把20層樓發射到太空然后再精準地降落到足球場大小的駁船甲板上，得有多難？

廉價太空的關鍵一步

“獵鷹9號”的陸海兩次成功回收需要跨越兩個難關：一是電子系統，這是火箭的大腦，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；可調節推力的火箭發動機也是成功的關鍵，這需要改變燃燒室、燃料泵等的設計，實時調節發動機內部的溫度和壓力，并調節燃料的流量，實現推力的精確可控。

尤其是最近的海上回收實驗，更是具有極為重大的意義，用事實證明了火箭回收技術水平已經近乎成熟。和陸地回收相比，海上浮動平臺面積小（只有幾百平方米），容易波動（受天氣、海浪影響），定位稍不準確，火箭就會掉進海里。SpaceX此前曾進行過4次類似嘗試均告失敗，卻矢志不渝，因為最理想的回收場地還是海洋。

既能一飛沖天，也能回到地面，火箭發射價格有望降低到現有價格的1%，全球太空商業發射將因此發生革命性變化。這讓很多人看到了希望—外太空探索有廉價化、普及化的趨勢。未來，太空旅行的花銷也將大幅縮減，普通人也可能承擔，廉價太空時代的大門即將開啟。