壯士斷腕還是吹牛后食言？
——細(xì)數(shù)SpaceX這些年做過的抉擇

文/ 田豐

▲ 美國現(xiàn)役及未來飛船集合

在2017年7月的國際空間站研發(fā)會(huì)議上，美國太空探索技術(shù)公司（以下簡稱SpaceX）創(chuàng)始人艾隆·馬斯克正式確認(rèn)了第二代“龍”飛船的動(dòng)力著陸項(xiàng)目（也就是反推著陸）的取消，原定于2020年的紅龍火星探測任務(wù)也隨之取消。反推著陸作為第二代龍飛船最具看點(diǎn)的技術(shù)特性，它的取消令業(yè)界一時(shí)嘩然。而SpaceX公司自己也表示這是一項(xiàng)“艱難的決定”，但終究二代龍飛船還是回到了海上傘降回收的“老路”上，一時(shí)間光環(huán)散盡，泯然眾人。唏噓慨嘆之余，從該公司一路的發(fā)展歷程來看其實(shí)也并不意外，反推著陸的取消可以說即是偶然也是必然。在SpaceX創(chuàng)辦至今的16年時(shí)間里，這并非其第一次大幅修改自己的研發(fā)計(jì)劃。由于公司一直堅(jiān)持不上市，創(chuàng)始人馬斯克的強(qiáng)烈個(gè)人性格融入了公司日常運(yùn)作當(dāng)中，因此食言反復(fù)甚至是壯士斷腕般揮刀自砍某些型號(hào)和技術(shù)特性的事情不勝枚舉。然而隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，在SpaceX公司已經(jīng)完成火箭回收復(fù)用，并向載人航天和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)起沖擊的今天，我們才發(fā)現(xiàn)，正是這些在外人看來難以理解的驚人之舉保全了這家公司，節(jié)約了寶貴的研發(fā)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，維持了公司的收支平衡，成就了今天的SpaceX公司。今天我們就回頭望去，看看SpaceX公司從創(chuàng)辦伊始，都曾經(jīng)“吹過哪些牛”，又“食過哪些言”。

反推夢碎的二代龍飛船

事實(shí)上二代龍飛船反推著陸項(xiàng)目的取消并不能完全歸咎于SpaceX公司本身，二代龍飛船的主要客戶美國宇航局的反對也是誘因之一。二代龍飛船最早稱之為“龍騎士”（DragonRider），是一款載人/貨運(yùn)通用的新型可復(fù)用飛船。在2011年航天飛機(jī)退役之后，美國一直都沒有恢復(fù)載人航天能力，只能購買俄羅斯聯(lián)盟飛船的“船票”來維持國際空間站的運(yùn)轉(zhuǎn)。但俄羅斯“極不厚道”地哄抬“船票”價(jià)格，從2011年的每個(gè)座位不足4000萬美元飆升至如今的8100萬美元。忍無可忍的美國宇航局模仿“商業(yè)貨運(yùn)服務(wù)”（CRS）的成功經(jīng)驗(yàn)，推出了“商業(yè)載人航天計(jì)劃”（CCP），并于2014年10月正式選擇波音和SpaceX公司成為項(xiàng)目中標(biāo)方，該項(xiàng)目不同于獵戶座飛船的傳統(tǒng)研發(fā)資助模式，兩家公司可以將研發(fā)完成后的飛船用于其他載荷和乘客的發(fā)射，而該局則采用買“船票”的方式購買兩家公司的載人航天服務(wù)，兩家需“保質(zhì)保量”的根據(jù)合同約定完成向國際空間站運(yùn)送航天員的任務(wù)。從該項(xiàng)目運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)年的經(jīng)驗(yàn)來看，相對于獵戶座飛船這種“無底洞”式的承包方式，商業(yè)航天的確為美國納稅人節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)。

▲ 獵鷹重型發(fā)射紅龍想像圖

自此，美國宇航局（以下簡稱NASA）便深度參與到了二代龍飛船的研發(fā)過程中，把控著各種關(guān)鍵技術(shù)方案和研發(fā)里程碑。其中最為嚴(yán)格和苛刻的一個(gè)參數(shù)之一就是“乘員損失率”（Loss of Crew，簡稱LOC），NASA對兩家公司新一代飛船在返回地球過程中的LOC率要求遠(yuǎn)高于所有人類已有的載人航天器。當(dāng)然這是有原因的，2003年2月1日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回地球過程中發(fā)生事故解體，7名航天員不幸遇難。NASA背負(fù)了巨大的輿論和政治壓力，已經(jīng)不能承受再一次失去航天員的傷痛和損失。同時(shí)也催生了NASA對載人航天器近乎“變態(tài)”的安全性要求。

▲ 紅龍飛船著陸火星想像圖

▲ 交叉燃料輸送簡圖

▲ 首飛的重型獵鷹火箭可以看到明顯的芯級節(jié)流現(xiàn)象

▲ 獵鷹5號(hào)火箭

SpaceX公司在2015年的二代龍飛船發(fā)布會(huì)上，曾高調(diào)宣布該飛船將一改美國以往載人飛船的傘降+落海的回收方式，而是采用飛船側(cè)壁的8臺(tái)“超級天龍座”（SuperDraco）小型液體發(fā)動(dòng)機(jī)，來幫助飛船完成最后的減速和著陸過程，飛船將像獵鷹9號(hào)火箭一樣垂直著陸在平坦的陸地著陸場上。此外，由于陸地軟著陸避免了海水浸泡和落地的瞬時(shí)沖擊，對飛船的重復(fù)使用也大有助益。不僅如此，這種設(shè)計(jì)更巧妙的地方在于“超級天龍座”既是飛船的“著陸發(fā)動(dòng)機(jī)”，也是“逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)”，避免了飛船入軌后逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)就成為“死重”的弊病，可以“一機(jī)兩用”。“超級天龍座”發(fā)動(dòng)機(jī)采用接觸自燃的有毒燃料組合，點(diǎn)火迅速可靠，推力可調(diào)，甚至可節(jié)流至20%；體積小巧，但可以產(chǎn)生71000牛的推力；每兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一組，互為冗余，且設(shè)置有圍殼保護(hù)，防止爆炸時(shí)危及航天員。這種科幻的著陸方式被當(dāng)時(shí)的SpaceX公司稱之為“二十一世紀(jì)飛船的著陸方式”，但可惜的是NASA似乎從來都沒有這么認(rèn)為過！鑒于航天飛機(jī)的慘痛教訓(xùn)，NASA經(jīng)過評估后認(rèn)為反推著陸相對于降落傘著陸，可控性能更差，導(dǎo)致其帶來的快速著陸等優(yōu)點(diǎn)難以彌補(bǔ)其帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，即使SpaceX公司設(shè)置了群傘系統(tǒng)作為備份，而且擬定采用漸進(jìn)過渡的方式普及反推著陸，但NASA仍然不滿意，并在SpaceX公司決定取消這一功能的過程中投上了至關(guān)重要的一張反對票。

慘遭波及的紅龍

不過反推著陸的取消并不能完全歸咎于NASA的保守，SpaceX公司自己在技術(shù)路線上的抉擇也發(fā)揮了重要的導(dǎo)向作用。因?yàn)榉赐浦懖⒉粌H僅是一項(xiàng)針對載人飛船返地著陸的技術(shù)方案，更是其通往火星的“宏圖大業(yè)”中的一項(xiàng)必要技術(shù)儲(chǔ)備，這個(gè)中間環(huán)節(jié)就是代號(hào)“紅龍”（RedDragon）的火星無人試驗(yàn)飛船。對二代龍飛船而言，反推著陸的取消僅僅改變了著陸方式，但對于紅龍而言卻是毀滅性的打擊。很多人認(rèn)為這是SpaceX公司火星之路的一次挫折，但事實(shí)或許正好相反，馬斯克已經(jīng)等不及去火星了，所以他略去了“紅龍”這個(gè)并不必要的中間階段。

說起“紅龍”，源自于2016年4月SpaceX公司和NASA正式簽署的一份合同，合同計(jì)劃最早于2018年使用獵鷹重型火箭將代號(hào)“紅龍”的火星著陸測試飛船送往火星表面。雖然此次任務(wù)主要是SpaceX公司的內(nèi)部任務(wù)，但也會(huì)為NASA和SpaceX公司的未來火星任務(wù)積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。紅龍飛船可以根據(jù)著陸地點(diǎn)的不同，向火星表面投送2-4噸不等的有效載荷。“紅龍”實(shí)際上是正在研發(fā)的二代龍飛船的火星版本，由于師出同門，紅龍?jiān)诨鹦潜砻娴能浿懲瑯右揽匡w船側(cè)壁的8臺(tái)“超級天龍座”發(fā)動(dòng)機(jī)，它能在點(diǎn)火指令下達(dá)的100毫秒內(nèi)達(dá)到全推力狀態(tài)，并實(shí)時(shí)調(diào)整推力和姿態(tài)。

▲ 懸停實(shí)驗(yàn)（其實(shí)是Dragonfly試驗(yàn)機(jī)）

但是這對慷慨注資的NASA來說有什么好處呢？答案是超音速反推（supersonic retropropulsion），這是一種對載人火星登陸極其關(guān)鍵的技術(shù)。NASA曾表示“超音速反推技術(shù)是任何載人火星任務(wù)所必須的”，因?yàn)橹暗慕德鋫恪踩珰饽疑踔痢昂闷嫣?hào)”所使用的“天空升降機(jī)”系統(tǒng)，都只能把最多一噸的載荷投放至火星表面。而相比之下，一個(gè)載人火星登陸器很可能重達(dá)幾十噸。超音速反推技術(shù)提供了看似簡單的大質(zhì)量登陸方案：當(dāng)穿過火星稀薄大氣層時(shí)，飛船將在超音速狀態(tài)下迎風(fēng)啟動(dòng)反推發(fā)動(dòng)機(jī)來減緩速度，直至最終軟著陸表面。但在這一階段，飛船的空氣動(dòng)力學(xué)及其穩(wěn)定性是計(jì)算機(jī)模擬和小規(guī)模風(fēng)洞試驗(yàn)很難掌握的，因此只能通過實(shí)際的火星飛船任務(wù)來進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)踐。而對于SpaceX公司來說，不僅是超音速反推，“紅龍”這種半彈道再入式飛船在火星稀薄大氣環(huán)境下的各種氣動(dòng)、姿控和熱控?cái)?shù)據(jù)更是一筆寶貴的經(jīng)驗(yàn)遺產(chǎn)。但是因?yàn)榉赐浦懙娜∠t龍項(xiàng)目也只能無奈中止，看似可惜的同時(shí)SpaceX公司其實(shí)有自己的考慮，因?yàn)楣咀罱K的目的是研發(fā)一款可以大規(guī)模向火表投送人員和物資的升力體式再入飛船（類似航天飛機(jī)），也就是公司近兩年在國際宇航大會(huì)上不斷展示的“行星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS，2017年又將名字改回BFR）。而紅龍飛船的再入方式與其迥然不同，即使任務(wù)成功，對“行星際運(yùn)輸系統(tǒng)”的研發(fā)助力也不是很大，因此對火星已經(jīng)急不可耐的馬斯克選擇了略去無用的紅龍，直奔主題！

不斷增推的犧牲品—交叉燃料輸送

SpaceX公司當(dāng)前的研發(fā)項(xiàng)目眾多，因此有所取舍也是非常正常。據(jù)稱“紅龍”取消后，后續(xù)將集中精力研發(fā)“行星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（2016年國際宇航大會(huì)上叫這個(gè)名字，2017年其實(shí)就叫BFR+BFS了），其所使用的代號(hào)為“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，“猛禽”將像“梅林”系列發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，既做為起飛發(fā)動(dòng)機(jī)，也作為反推著陸發(fā)動(dòng)機(jī)。而“行星際運(yùn)輸系統(tǒng)”中的火星飛船部分，將像航天飛機(jī)一樣進(jìn)入火星大氣，并在最后著陸階段掉頭啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，像獵鷹9號(hào)火箭一級一樣反推減速直至最終著陸。所以“紅龍”就成了SpaceX公司自家技術(shù)變革后相互競爭中落敗淘汰的犧牲品。然而在SpaceX公司研發(fā)史上，這樣大水沖了龍王廟的事情并不止一次發(fā)生過，曾作為紅龍飛船“御用座駕”的獵鷹重型火箭，也曾經(jīng)面對過這種情況。

▲ 圖中黑色三個(gè)物體就是降落傘包，對稱布置，圖外上面還有三個(gè)

2011年，SpaceX公司在宣布獵鷹重型火箭時(shí)，馬斯克曾表示獵鷹重型火箭是史上首款使用推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的火箭。這種技術(shù)將會(huì)聯(lián)通獵鷹重型火箭兩枚助推器和芯一級的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，火箭點(diǎn)火起飛后助推器儲(chǔ)箱不僅向其發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑，還將通過聯(lián)通機(jī)構(gòu)向芯級輸送推進(jìn)劑，以彌補(bǔ)芯級發(fā)動(dòng)機(jī)工作中的消耗，這樣在助推器工作完成關(guān)機(jī)分離時(shí)，芯級儲(chǔ)箱的推進(jìn)劑消耗很少甚至可能不消耗，從而使這款二級半火箭獲得了相當(dāng)于三級火箭的性能。據(jù)SpaceX公司稱可將運(yùn)載能力提高超過20%～30%，但目前來看該數(shù)據(jù)過于樂觀，因?yàn)榻┠隉o論是“波音”構(gòu)想的新一代可重復(fù)使用運(yùn)載器RLV（Reusable launch vehicle），還是俄羅斯赫魯尼切夫航天中心的安加拉系列火箭，都曾構(gòu)想過各種各樣的推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)。雖然該技術(shù)會(huì)獲得一定的性能提升，但隨之也會(huì)帶來一些額外重量，并對火箭可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

整整7年過去了，獵鷹重型火箭的首射時(shí)間一推再推，而隨著獵鷹9號(hào)火箭運(yùn)力的不斷飆升，獵鷹重型火箭的運(yùn)力也水漲船高，一次性近地軌道運(yùn)力從早期的24.75噸，后升至53噸，直至2017年4月更新為備受爭議的63.8噸，并最終于2018年2月7日首射成功。因此SpaceX公司目前已不再提及交叉燃料輸送這項(xiàng)技術(shù)了。雖然未經(jīng)證實(shí)，但業(yè)界分析SpaceX公司考慮到技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜度，同時(shí)考慮到獵鷹重型火箭即使不采用交叉燃料輸送，運(yùn)力仍然高度富裕，轉(zhuǎn)而采用類似重型德爾塔4火箭的芯級節(jié)流的保守方案。即使考慮不同回收模式會(huì)損失30%～50%的運(yùn)力，其運(yùn)力水平在2019年末“太空發(fā)射系統(tǒng)”首飛之前仍然穩(wěn)坐現(xiàn)役運(yùn)載火箭的頭把交椅，即使回收導(dǎo)致運(yùn)力大減，依舊能夠滿足所有已有載荷的發(fā)射需求（不考慮整流罩限制）。這樣一來，費(fèi)力不討好的交叉燃料輸送就更無必要了，當(dāng)然交叉燃料輸送也并非后繼無人，SpaceX公司在“行星際運(yùn)輸系統(tǒng)”上構(gòu)想的大規(guī)模低溫推進(jìn)劑在軌加注技術(shù)，建立在航天飛機(jī)時(shí)代外掛儲(chǔ)箱向SSME（Space Shuttle Main Engine）成功輸送推進(jìn)劑的成功經(jīng)驗(yàn)之上，也將是這項(xiàng)技術(shù)的另一次復(fù)活。

▲ 紅龍飛船在火星大氣進(jìn)行超音速反推想像圖

“獵鷹5”和傘降回收的傳說

其實(shí)類似的技術(shù)抉擇在SpaceX公司的歷史上還有很多。比如2012年，在面臨技術(shù)資金及公司長遠(yuǎn)規(guī)劃的問題時(shí)，SpaceX公司果斷叫停了富有科幻氣息的獵鷹5號(hào)空射液體火箭項(xiàng)目。轉(zhuǎn)為集中精力研發(fā)現(xiàn)在的主力型號(hào)“獵鷹9”，可以說是一個(gè)教科書式的抉擇。說起“獵鷹5號(hào)”，這是一款只存在于設(shè)計(jì)圖上的獵鷹火箭，顧名思義，火箭一級布置了5臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)。

最早“獵鷹5號(hào)”曾經(jīng)被選做“同溫層發(fā)射系統(tǒng)”的“欽定”空射火箭，當(dāng)然隨著“獵鷹5號(hào)”的取消，這段“姻緣”也隨之終止。在合作中止整整5年過后，該系統(tǒng)的專用雙體載機(jī)于2017年5月末才推出機(jī)庫，而此時(shí)的獵鷹9號(hào)火箭已經(jīng)憑借成功的火箭回收和復(fù)用發(fā)射將世界商業(yè)發(fā)射市場攪得天翻地覆。如果當(dāng)時(shí)SpaceX公司糾結(jié)于為研發(fā)空射專用的獵鷹5火箭，按專用載機(jī)現(xiàn)在的研發(fā)進(jìn)度，或許SpaceX公司早就已經(jīng)資金斷裂關(guān)門大吉了。

▲ 無論這家空射載機(jī)多么巨大美麗，都難掩其尷尬的定位和拖沓的進(jìn)度

▲ 2017年國際宇航大會(huì)上公布的BFS火星EDL仿真截圖

▲ 二代龍飛船原設(shè)計(jì)中的著陸腿

不僅如此，SpaceX路線抉擇的果斷還體現(xiàn)在火箭回收的技術(shù)路線抉擇上。在考慮回收火箭時(shí)，有鑒于航天飛機(jī)固體助推器的珠玉在前，傘降是一個(gè)想當(dāng)然地回收思路。因此SpaceX公司早期曾在箭體上設(shè)置了降落傘，進(jìn)行過回收測試，但嘗試的結(jié)果顯然不盡人意，于是公司果斷改為垂直起飛垂直降落回收方案，終獲成功。已有成功傘降回收的運(yùn)載火箭幾乎全都是基于固體運(yùn)載火箭，這種火箭外殼采用高強(qiáng)度鋼材，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單可靠，可以承受落海的沖擊和海水腐蝕。但獵鷹9號(hào)火箭是一款由2195鋁鋰合金制成的液體運(yùn)載火箭，采用共底儲(chǔ)箱，采用了9臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜（相對于固體火箭）的梅林液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。一方面是儲(chǔ)箱難以承受落海時(shí)不可控的巨大沖擊，另一方面就是發(fā)動(dòng)機(jī)難以承受海水的浸泡和侵蝕。與固體火箭不同，液體運(yùn)載火箭最具回收價(jià)值的就是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟在其下一代火神運(yùn)載火箭上只回收發(fā)動(dòng)機(jī)的原因所在。我們這里無意否定傘降回收的可行性，只是闡述SpaceX公司在試錯(cuò)后及時(shí)做出了調(diào)轉(zhuǎn)船頭的抉擇。這也是馬斯克本人的魅力之一吧。