噱頭無益，可靠為王

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美國太空探索技術公司（以下簡稱SpaceX）已近乎發展成為了一種流行文化。有狂熱的粉絲、也有相關的文化圖騰、更有無數力挺的跨界著名關注者。至于在航天業界的同行們，無論是否對其認可，都已無法忽略這家企業。其名之盛，以至于目前相關新聞已被國內許多營銷團體或者個人包裝用于各類營銷目的。截至2015年末，“獵鷹”9號運載火箭完成了至少6次發射，把多顆航天器送入軌道。作為一種宣稱近地軌道有效載荷13噸、典型發射任務報價只有5400萬美元的“經濟適用型”中型運載火箭，“獵鷹”9號的實用、可靠已經得到證明。時至今日，其發射過的最昂貴的載荷，乃是歐洲衛星公司的SES-9同步軌道通信衛星，重約5.3噸。然而，上述這些并非令SpaceX揚名之處。

最吸引眼球的是——迄今為止“獵鷹”9號回收型，共進行了6次第一級垂直回收試驗，有兩次獲得圓滿成功（載荷入軌+回收成功），剩下的幾次也部分成功（載荷入軌+回收失敗）。

通過研究SpaceX公司“獵鷹”系列火箭從摸索到成熟的歷程，我們能夠了解美國航天系統在快速布星和商用發射方面的進展。同時通過分析SpaceX的得失，也能對國內準備乘“軍民融合”東風進入運載火箭研發領域的民企，產生一些指導作用。

從梅林引擎開始

眾所周知，發動機是決定運載火箭性能的最關鍵因素，也是決定一枚火箭成敗的基礎，運載火箭幾乎就是圍繞著發動機來進行設計的。目前，除去尚在試制階段的，采用液氧甲烷燃料的猛禽上面級引擎，以及隨著“獵鷹”9火箭投入使用而靠邊站的紅隼上面級引擎，采用液氧煤油燃料的梅林發動機是SpaceX目前唯一的臺柱。

梅林發動機的設計源頭頗為復雜，技術來源眾說紛紜。不過，美國的火箭發動機型號雖然繁復浩瀚，但萬變不離其宗，其技術傳承和演進是有一個較為明確的路線與參考的。

大致上，我們由于梅林引擎的針栓式噴嘴構造，將其視為阿波羅下降段引擎演進線上的產物。而且在其具體的設計思想上，明顯是參考了馬歇爾航天中心的Fastrac廉價發動機。不過，該觀點許多人并不贊同。

反對的理由之一，便是梅林引擎和登月艙下降級發動機連燃料都不一樣，只不過都采用了針栓式噴嘴而已。至于Fastrac廉價發動機……“如此推力有何資格和‘獵鷹相比”。所以按照其邏輯，梅林引擎應該和圣杯一樣，乃是神對馬斯克的恩賜，只恨不能把火箭都吹成是他的創造。

不過，無論支持還是反對，出身湯譜森-拉莫-伍爾德里奇公司的SpaceX的總工程師Tom Mueller，畢竟是在TR-106引擎（使用針栓式噴嘴，氫氧燃料）的開發過程中積累了豐富的經驗。在其投奔新東家后，適當借鑒參與過的項目，取其精華加以利用，實在也屬于情理之中的事情。而針栓式噴嘴的優點也非常的多。包括穩定性好、加工維護便宜、節流調速容易等。那么，在相關專利已經失效的前提下借鑒過來，也是合情合理的。

盡管優點多多，針栓式噴嘴的固有缺點，卻也在梅林發動機的設計和制造過程中把整個團隊坑得不輕。

針栓式噴嘴構造對冷卻的要求很高，所以最初的梅林1A與1B，均不可避免的遇到了過熱的問題。由于梅林系列發動機在其開發初期堅持采用了可靠性和效率都很糟糕的燒蝕冷卻方式，所以發動機過熱燒穿的問題，一直是團隊在早期面臨的最大挑戰。最早的“獵鷹”1型火箭，就屢屢在發動機的問題上吃癟。直到被搞煩了的SpaceX決定下大力氣部分推倒重來——從1C改進型開始，將發動機冷卻模式改為回熱冷卻式，徹底放棄燒灼冷卻模式，這才基本解決了過熱的問題。

所謂回熱冷卻，就是設計一組專門環繞燃燒室和噴嘴的管路，將燃料首先流經燃燒室和噴口的外壁再注入燃燒室。既冷卻了發動機又可以預熱燃料。但其較為復雜的結構，也增加了引擎開發的難度和風險。

然而，換用回熱冷模式卻和SpaceX的技術發展宗旨是背道而馳的。眾所周知，梅林引擎在立項伊始，就被定義為一種結構盡可能簡單的高性價比引擎。也因為這個思路，沒有選用技術難度更大、但比沖更高的分級燃燒循環，而是結合美國的技術積累情況，走了較為簡單、低成本、低風險的燃氣發生器循環模式。因為阿波羅計劃的牽引，上世紀60年代，美國在液氧煤油燃料、燃氣發生器循環領域作了大量工作，技術積累非常豐厚。但是此后的研發重點就轉向了液氫液氧燃料、高壓補燃循環（分級燃燒循環的一種）發動機，對液氧煤油發動機研發投入不多。

那么，分級燃燒循環模式和燃氣發生器循環模式到底有何區別？前者在燃燒循環時，將推動渦輪泵做功的廢氣壓入燃燒室再次進行燃燒，最大限度利用燃氣的能量。而后者，為了最大限度簡化設計、采取直接將廢氣一排了事的“簡單粗暴”方式，以求最大限度減少發動機的干質量。因為分級燃燒循環充分利用了渦輪泵廢氣的能量，可以大幅度提高渦輪功率、進而提高燃燒室壓力，顯著提高了發動機比沖。對于燃氣發生器循環，渦輪廢氣的能量被浪費了，渦輪泵的功率越高、這種浪費越嚴重，到了一定程度、浪費的廢氣能量高于燃燒室壓力提高帶來的好處，得不償失；所以燃氣發生器循環的燃燒室壓力較低，比沖明顯低于分級燃燒循環。

當然，在液氧煤油燃料組合上，燃氣發生器循環比高壓補燃循環還有一個優勢：富燃燃燒。因為煤油的高溫結焦問題，高壓補燃循環只能采用調高氧化劑比例的富氧燃燒模式，高溫高壓燃氣堪比乙炔氣割，一旦發動機故障、燃氣泄漏，故障發展會很迅速、后果嚴重。相比之下、富燃燃燒的燃氣破壞力就弱得多，故障發展緩慢、溫和得多，這個特性曾經挽救過“獵鷹”9號的發射任務，此乃后話。

顯然，由于豐滿的理想和骨感的現實，SpaceX被迫做出了無奈的妥協。使得梅林發動機在走燃氣發生器循環模式，以求最大程度簡化的同時，卻被迫在發動機冷卻模式上采用回熱冷卻。最終，造就了梅林1C這個有幾分怪異，但基本算是“好用”的引擎。

梅林1C基本固定了當前經典版梅林引擎的所有特性。在其基礎上開發的1D，則是進一步減重與優化的設計。最終，在設計團隊的竭盡所能之下，其燃燒室壓力較之1C提高了近五分之二，接近100個標準大氣壓力，使得性能有了大幅的提高。

總的來說，即便是以梅林1D而言，其海平面比沖也僅有275秒，海平面推力折合約66噸。雖然較為可靠，但各項指標均已落后，算不上什么強大的火箭發動機。最新型的梅林1D+發動機數據版本繁雜、自相矛盾，很難準確評價，但是它的技術基礎沒有變化，核心指標不會有革命性突破。

縱觀美國航天界琳瑯滿目的火箭發動機貨架，比之更優秀的產品比比皆是。例如航天飛機的主發動機，大名鼎鼎的洛克達因產航天飛機主發動機（SSME）。其采用液氫液氧燃料、高壓補燃循環、可以重復使用，海平面比沖達366s、海平面推力約190噸。其性能不知甩開梅林1D幾條大街。尤其是其具備高達452s的真空比沖！相較而言，梅林1D僅有可憐的310s。那么，既然費盡周章完成的梅林1D實際上是個半吊子，市面上也有著遠比它強大的引擎，那么為何公司不老老實實掏錢去買現成的好發動機呢？

實際上，目前聲名大噪的“獵鷹”9號運載火箭的成功之處，就在于其采用了梅林這樣的“大路貨”。但是，SpaceX是一家典型的商業公司。它的宗旨是搶占市場，獲得業務，最終實現盈利。而不是設計和制造更棒更強的火箭，為航天事業做出貢獻。開發梅林系列發動機的基本要求就是廉價。即便是最新型的梅林1D，推算價格也僅百萬美元級別。與之相比，性能遠勝的SSME，其價格卻是以千萬計的。此外，不但是發動機本身的價格相差懸殊，采用煤油為燃料的梅林引擎與采用液氫為燃料的SSME，其使用成本也相差懸殊。

最后，必須要簡單談一下的是“獵鷹”9號火箭第二子級主發動機真空梅林。顧名思義，真空梅林的實質還是梅林。它是在起飛級型號的基礎上，采用大面積比的高空噴管改進獲得。與梅林1版本基本是繼承性的關系，只是專門優化了真空比沖性能。

于是，隨著紅隼上面級引擎靠邊站，SpaceX終于用一種發動機滿足了所有需要。而其技術始于各類明的暗的技術輸入渠道，基于各種低成本概念的堆砌。公司方面，要做的只是在享有技術的基礎上進行開發和改進。這種策略最終極大地攤薄了研發成本，更是有利于組織批量生產、控制成本、提升質量，以最經濟的價格生產出適用的引擎。

然而，正如前文所剖析的那樣，梅林1系列引擎，要推力沒推力要比沖沒比沖，優點只是便宜簡單和可靠，終究是一種湊合用的產品。所有人都應該明白，如果艾隆·馬斯克能夠以同樣的成本制造和使用SSME，他當然不會選擇梅林。正如他自己對媒體說得那樣：“火箭引擎是目前SpaceX所面臨的最大短板。”

這，也是SpaceX努力推進“猛禽”甲烷液氧發動機研制工作的根本原因。關于這種引擎，我們將會在下文說到。

從“獵鷹”1號到“獵鷹”9號

SpaceX在運營早期頗為不順。“獵鷹”1號運載火箭從2005年下半年到2008年8月，曾經有過連續3次失敗的記錄。尤其是在2008年8月2日進行的第三次發射，由于發射后異常振動導致的分離故障，將分屬美國國防部和NASA的3枚立方星，以及208名在生前希望死后遺骸能進入太空的顧客的骨灰統統燒毀在了同溫層內。其中包括曾經出演著名科幻電視劇《星際迷航》的美國已故演員杜漢和阿波羅7號飛船的宇航員庫珀。

不過，隨著梅林1C發動機投入使用，原本折磨SpaceX的發動機燒穿問題得以解決。2008年9月28日，SpaceX使用一枚第一級改用“獵鷹”1C引擎的“獵鷹”1號運載火箭，在夸賈林環礁發射基地，將一塊165千克的配重成功送上進入近地軌道。

從2002年6月成立以來，盡管SpaceX的道路看似坎坷異常，但僅僅3個月后，“奇跡”就將發生。同年12月23日，NASA宣布將第一批總值36億美元的國際空間站貨運合同，分配給了SpaceX和軌道科學公司，當時距離SpaceX的首次開始火箭發射只有2年時間，距離第一次成功將載荷送入軌道還不到3個月。該合同立即倍增了SpaceX的發言權和市場地位，使這家本來在業界只見嘴炮和笑話的企業，搖身一變成了可能有機會挑戰波音和洛克希德馬丁合資成立的聯合發射聯盟市場地位的潛在競爭對手。因為就在過去的10年里，后者一直主導著美國的軍、民航天用發射市場，獲取滾滾利潤。也使得總是被砍預算的NASA苦不堪言。而這，正是SpaceX的老大馬斯克所一直期望和努力所追求的目標。

SpaceX之所以能夠攬下NASA的太空物流合同（分到了大約16億美元的單子），只靠200千米近地軌道載荷670千克的“獵鷹”1號火箭，那純屬癡人說夢。事實上，SpaceX計劃用于投送貨運飛船的載具，是當時尚在紙面上的中型運載火箭“獵鷹”9號。此外，包括用來運送貨物的龍式飛船，當時也同樣只有模型和設計圖。只靠圖紙和方案就能攬到十幾億的合同，這黑箱操作的能耐作者也是醉了。近地軌道運載能力至少10000千克，并能將超過4000千克的載荷送入同步轉移軌道——這就是SpaceX為NASA畫的餅，而NASA居然認了……

基本任務載荷，決定了“獵鷹”9號必須是一種中型運載火箭。而從梅林1A到梅林1C，盡管SpaceX在火箭發動機領域取得了可喜的進步，但以梅林1C那海平面550千牛的推力，根本是沒能力獨立撐起這個運力要求的。怎么辦？多堆幾個引擎嘛。那么堆幾個呢？9個！

根據設計，“獵鷹”9號是一種兩級運載火箭。其1.0版本有157英尺高（47.8米），芯級直徑12英尺（3.65米），通常搭載狀態起飛質量為333.4噸。它的第一級將要并聯9臺梅林引擎，起飛推力則是4940千牛（1.0版本）。而上面級發動機也不再是小巧的紅隼，將換用專門優化了真空性能的梅林引擎。看起來很不錯，實際上，想要制造一枚運載火箭，有了可靠的火箭發動機意味著成功的一半，但也只是一半。因為，梅林1引擎的單臺推力太弱了。而若想并聯9臺引擎同時工作，那么勢必要面對可靠性的問題。此外，如何在箭體強度與重量上取得平衡點也是個巨大的問題。

此外，對于SpaceX來說，成本是這家企業的生命。既然引擎已經基本實現了低成本化，除了盡可能挖掘性能外，控制成本是另一個核心問題。

馬斯克控制成本的主要手段無非有二。首先，大量采用常規商用、工業類電子元器件。相比較價格昂貴換代慢的宇航級器件，這樣不僅有效降低了成本，而且器件采用的技術也更先進、性能指標更好。以CPU為例，宇航級產品雖然壽命高，并且能在極端環境下長期工作，但在工作頻率等指標上通常會比商業、工業級產品至少落后兩代。而火箭畢竟不是衛星、不是深空探測器，它的工作壽命以分鐘計，而非以月、以年計。商業、工業級元器件只要經過嚴格測試，輔以有針對性的輻射防護，完全可以在火箭上使用。

其次，在研發/生產管理上，互聯網行業投資人出身的馬斯克把該行業的管理體制和組織架構引入SpaceX，采用無邊界管理模式，打造外形扁平化的公司組織。公司內部沒有通常意義上的部門劃分，甚至沒有組織機構圖，各領域的員工平等地參與技術研討、設計和開發等工作，研發與生產的聯系更為緊密，拋棄了不必要的繁文縟節和復雜低效的冗長管理流程。以下是一個關于SpaceX“扁平化管理”的段子，盡管真實性很低，但也在一定程度上說明了其所遵循的管理思想：“獵鷹”9研發工作的早期，某次發射前，經過計算和分析、上面級發動機的噴管需要調整面積比。如果是傳統的航天系統作風，這個調整從請示報告再到層層批復、直到最終實施，最快也要一個星期。但SpaceX不走這個套路，現場的技術負責人當場拍板，工程師馬上拿著工具就去把噴管剪掉一截，前后統共幾個小時搞定。

扁平化管理，避免繁文縟節雖是優點。但如同這個段子里描述的景象，已經不是在制造火箭了。實際上，就算是一個生產二踢腳的車間，技術人員敢這么胡來，下場多半也是血的代價。所以段子也只是段子，可偏偏有許多人卻信，而且廣為傳播。

得益于扁平化管理、互聯網基因，加之NASA全力支持，提供了大量設備、設施和智力支援，SpaceX長期保持著研發、生產團隊的精干高效。公司曾經多年維持在數百人規模，2012年才擴張到千人，在有效控制人力成本的同時、保證了研發工作的高效率，““獵鷹”9”火箭從方案論證到首飛，僅用了四年半時間。

根據推算火箭入軌速度的齊奧爾科夫斯基公式：火箭最終速度 = 發動機噴出推進工質（比沖）×ln（火箭總質量/火箭末質量）。決定火箭的最終速度的參數中，比沖數值的好壞由發動機的性質所決定。根據物理常識，一種燃料燃燒后產生的熱量越高，則其比沖就越大。也因為這個原因，煤油發動機雖然擁有使用成本低、安全性好、無毒無害等優點，但是其能量密度遠不及液氫，故煤油發動機比沖性能遠無法與氫氧發動機相比擬。煤油引擎的真空理論極限值比不會超過390秒，實際可實現的應當不超過350秒。

既然梅林1即便發展到D型也只是個半吊子貨，再加上煤油發動機的先天不足問題，那么想要提高火箭的性能，剩下的唯一選擇就唯有提高箭體的干質比。換而言之，就是在保證必要的強度前提下，盡可能多地減輕箭體自重。

最終，我們看到的“獵鷹”9就成了這樣一支在減重上達到了全世界第一的“怪物”——全箭貯箱廣泛使用加拿大鋁業公司【注釋：該公司于2008年與力拓公司合并，組成新的力拓加鋁公司，但對外仍以“加鋁”的老招牌名義進行經營活動】研制的Airware2198-T8鋁鋰合金制造，并采用了大膽的半氣球貯箱設計、氧化劑燃料槽共底設計，整流罩和級間段則使用碳-碳復合材料制造。

此外，在具體的細節結構減重設計方面，SpaceX的一些措施堪稱“極端”。例如，““獵鷹”9”1.1版的級間段把分離機構從1.0版的9個減到了前所未有的3個。而且，在驗證了Airware2198-T8鋁鋰合金的可靠性后，更是進一步把箭體的長徑比放大到19。注意，這一長徑比設計可謂驚世駭俗。根據中國航天系統多年積累的經驗，增大長徑比有利于降低火箭的飛行阻力、減輕箭體重量，但是同時造成箭體縱向剛度不足、容易發生震顫、進而降低火箭的可靠性，所以長徑需要以15為限制——火箭縱向剛度不足帶來的后果可能是災難性的，要知道當初“東風2”導彈首飛試驗時，就是因為縱向剛度不足、箭體發生震顫導致發射失敗，可謂有著“血的教訓”。此外，減重的焦點也不僅僅集中在箭體上。梅林1系列引擎發展到D型時，引擎重量已得到了徹底的精簡，推重比超過150，幾乎已是極限。

所以，我們可以毫不夸張第說，無論從哪方面看，當“獵鷹”9號發展到了目前最新的最大推力版本（“獵鷹”9FT）的時候，SpaceX基本已經榨干了現有材料的潛力、顛覆了一系列火箭設計的經驗公式，甚至帶著一副“人有多大膽，地有多高產”的勁頭來進行“賭博”式的嘗試。

不過他們確實博對了，而由此帶來的好處也很明顯，FT版的“獵鷹”9號甚至做到了超過25的干質比（與之對比，我國最新的長征7號尚不足13，還有很大的潛力可以挖掘），箭體減重做到了極致。即便是有著梅林1D這個拖累，這枚火箭亦然具有較好的性能。

行文至此，有一個顯而易見的結論已經躍然紙上：在經歷過“獵鷹”1號時代的磕磕絆絆之后，SpaceX的新一代“獵鷹”9號火箭，是一款使用貨架產品結合成熟技術，并在合理范圍內大膽運用新材料、新工藝，性能較好、成本控制非常成功的“經濟適用性”火箭。

然而SpaceX在整個2015年內最吸引眼球的地方，并不是“獵鷹”9的技術成熟與價格低廉。而是自其v1.1版本投入使用后，持續推進的關于火箭第一子級垂直回收的試驗。

v1.1版“獵鷹”9號，開始在火箭第一子級的底部安裝有四個可展開的支架，在頂端安裝有氣動格柵控制面。在與上面級分離后采用剩余燃料與回收平臺匯合（或者返回發射場上空），并垂直降落的姿態進行降落，以期實現第一級的整體回收。

自從第一級回收項目從2012年正式公布以來，馬斯克頻頻聲稱要憑借這個技術實現航天發射的“白菜化”——把單位質量發射成本降低至現有1/20，震驚世界。對此，外界褒貶不一，心悅誠服、深信不疑者有之，半信半疑、謹慎觀望者有之，更有人嗤之以鼻……那么，“獵鷹”9號真的能兌現馬斯克的豪言，顛覆國際航天發射市場的格局么？而該公司數年前即高調啟動的重型“獵鷹”項目，是否能助其在技術上“碾壓”各路對手？

我們拭目以待。（未完待續）