有翼式復(fù)用運(yùn)載器：明日黃花 前景黯淡

文/松鼠

▲Skylon云霄塔

美國(guó)獵鷹9號(hào)火箭5月12日成功發(fā)射了Bangabandhu-1通信衛(wèi)星，這次發(fā)射的亮點(diǎn)并非孟加拉國(guó)的第一顆通信衛(wèi)星，而是獵鷹9號(hào)Block 5型火箭的首次發(fā)射。Block 5型火箭設(shè)計(jì)復(fù)用次數(shù)超過(guò)10次，計(jì)劃通過(guò)火箭多次復(fù)用降低發(fā)射成本。新的獵鷹火箭能否實(shí)現(xiàn)降價(jià)的目標(biāo)還有待檢驗(yàn)，但曾經(jīng)如火如荼的有翼式復(fù)用運(yùn)載器，早已是明日黃花。

有翼卻難以飛翔

一次性運(yùn)載火箭太貴，運(yùn)載器復(fù)用追求的就是降低發(fā)射成本，太空探索技術(shù)公司老板馬斯克剛剛表示，現(xiàn)在發(fā)射價(jià)值6200萬(wàn)美元的獵鷹9號(hào)火箭，一次發(fā)射使用的液氧和煤油總成本不過(guò)是30到40萬(wàn)美元。但相比鉛筆一樣呆板的運(yùn)載火箭，靈活的飛機(jī)生來(lái)就是重復(fù)使用的，航空航天不分家，工程師們做熟不做生，復(fù)用運(yùn)載器帶上翅膀不是天經(jīng)地義的么？

大名鼎鼎的馮·布勞恩不僅研制了V-2火箭，參與了土星5號(hào)火箭的研制，還曾為《科利爾》雜志撰稿，描繪了載人火星藍(lán)圖。馮·布勞恩火星計(jì)劃使用“渡船火箭”（Ferry Rocket）將火星飛船部件送入太空，“渡船火箭”是一種三級(jí)全重復(fù)使用火箭，為了飛回來(lái)設(shè)計(jì)了三對(duì)機(jī)翼，它可以把25噸重的飛船部件送入1730千米高度的停泊軌道。“渡船火箭”總重高達(dá)7500噸，它的第一級(jí)就重6400噸，是日后土星5號(hào)火箭全重的兩倍還多。為了在地球軌道上建成10艘大型飛船組成的火星艦隊(duì)，要制造46枚“渡船火箭”進(jìn)行950次發(fā)射，平均每枚“渡船火箭”復(fù)用20次以上。當(dāng)然，馮·布勞恩低估了大型火箭和復(fù)用運(yùn)載器的難度，更不要說(shuō)天地往返的難度了，“渡船火箭”由始至終只有想象圖和模型。

“渡船火箭”只是個(gè)美好的想象，但有翼式復(fù)用運(yùn)載器可是風(fēng)行一時(shí)。美國(guó)和蘇聯(lián)都競(jìng)相研制帶“翅膀”的航天復(fù)用運(yùn)載器，美國(guó)的航天飛機(jī)是其中最經(jīng)典的代表。航天飛機(jī)擁有一對(duì)三角翼，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離滑翔返回機(jī)場(chǎng)著陸，它號(hào)稱要革命性地降低航天發(fā)射的成本，航天工程師更不要說(shuō)科幻作家都期待航天飛機(jī)帶來(lái)太空大開(kāi)發(fā)的時(shí)代。不過(guò)，航天飛機(jī)正式服役后卻讓人大失所望，它的單次發(fā)射成本甚至比一次性的大力神火箭還要貴，這就實(shí)在令人尷尬了。即使美國(guó)宇航局后來(lái)用建造空間站來(lái)給它強(qiáng)行續(xù)命20年，但2011年航天飛機(jī)還是黯然落幕了。

▲布勞恩和渡船火箭模型

▲渡船火箭

▲俄羅斯安加拉火箭將裝備可折疊翼板

有翼式的致命缺陷

美國(guó)航天飛機(jī)降低發(fā)射成本的努力失敗了，這可不是美國(guó)一家的問(wèn)題，蘇聯(lián)的暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)同樣昂貴，而歐空局和日本的航天飛機(jī)只停留在紙面上。為什么有翼式復(fù)用運(yùn)載器的研究在轟轟烈烈后逐漸沉寂？這是因?yàn)樗兄旅亩贪澹?/p>

就以航天飛機(jī)來(lái)說(shuō)吧，1972年尼克松批準(zhǔn)撥款26億美元研制航天飛機(jī)，而此前預(yù)研階段就花了4.9億美元，這可是20世紀(jì)70年代的30億美元。然而它能運(yùn)多少物資上天呢？早期是29.5噸,后來(lái)出于安全考慮降低到25噸，而一次性的運(yùn)載火箭，以1984年研制的大力神IV火箭為例，它的最大運(yùn)力21.5噸，但研制費(fèi)用只有4.27億美元。簡(jiǎn)單地說(shuō)，由于要考慮重復(fù)使用的因素，尤其是采用航天飛機(jī)這種有翼式軌道器設(shè)計(jì)，同等運(yùn)力下有翼式復(fù)用運(yùn)載器的研制成本要比一次性運(yùn)載火箭高太多！

當(dāng)然，即使研制和制造成本很高，但航天發(fā)射中推進(jìn)劑成本只是九牛一毛，只要重復(fù)使用大獲成功，復(fù)用運(yùn)載器降低發(fā)射成本仍然前途光明。再以大力神IV火箭為例，它的發(fā)射價(jià)格就有2.2億美元，航天飛機(jī)研制費(fèi)用就算高了30億美元，20次發(fā)射下來(lái)不就攤平了么？然而事情沒(méi)那么簡(jiǎn)單。航天飛機(jī)軌道器可以入軌并返回，但一級(jí)半方式入軌需要高比沖的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，軌道速度再入大氣層返回需要復(fù)雜的熱防護(hù)系統(tǒng)，結(jié)果航天飛機(jī)發(fā)射成本高，同時(shí)需要復(fù)雜的地面維護(hù)。航天飛機(jī)原計(jì)劃一個(gè)月甚至一周發(fā)射一次，每架航天飛機(jī)重復(fù)使用100次，服役后發(fā)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)在鞭長(zhǎng)莫及。同一架航天飛機(jī)的周轉(zhuǎn)周期從沒(méi)有縮短到一個(gè)月內(nèi)，至于復(fù)用次數(shù)，美國(guó)5架航天飛機(jī)在30年里總共飛行了135次，單架100次復(fù)用的目標(biāo)就實(shí)在是水中月鏡中花了。

航天飛機(jī)的研制成本高，但重復(fù)使用次數(shù)太少，沒(méi)能有效攤薄研發(fā)成本；航天飛機(jī)這么復(fù)雜嬌貴的系統(tǒng)，維護(hù)保障團(tuán)隊(duì)需要花巨資維持，但它地面維護(hù)檢修復(fù)雜繁瑣，花費(fèi)時(shí)間還長(zhǎng)，維護(hù)成本也水漲船高。美國(guó)原計(jì)劃投資160億美元，制造2架試驗(yàn)機(jī)和3架服役的航天飛機(jī)，整個(gè)服役期間進(jìn)行439次發(fā)射，這樣每次發(fā)射只有3600萬(wàn)美元，但最終航天飛機(jī)發(fā)射價(jià)格高達(dá)4億美元，這不僅讓通過(guò)復(fù)用降低發(fā)射成本成為黃粱一夢(mèng)，發(fā)射成本甚至比一次性火箭還要貴。說(shuō)到這里，大家也應(yīng)該明白有翼式的根本問(wèn)題了：它研制成本太高，維護(hù)成本也不低，這就需要高復(fù)用次數(shù)和高發(fā)射頻率來(lái)平攤成本。如果無(wú)法重復(fù)使用那么多次，或是發(fā)射頻率沒(méi)那么高，那發(fā)射成本必然暴漲，價(jià)格對(duì)比一次性火箭全無(wú)優(yōu)勢(shì)。

航天飛機(jī)研制使用成本高，它需要入軌和返回是重要原因，如果把傳統(tǒng)火箭第一級(jí)做成有翼式重復(fù)使用運(yùn)載器，是不是就能降低成本呢？這個(gè)思路降低了復(fù)用難度和研發(fā)成本，然而理論探討也不容樂(lè)觀。俄國(guó)人曾提出“貝加爾”飛回式有翼助推器的概念，時(shí)隔20年后又拖出來(lái)亮相，美國(guó)當(dāng)年也提出過(guò)LFBB和StarBooster等飛回式有翼助推器概念，但即使是為航天飛機(jī)論證的LFBB都沒(méi)能脫離紙面。飛回式有翼助推器同樣面臨和航天飛機(jī)一樣的困難，它們研制和維護(hù)成本高，但哪里有那么多發(fā)射需求攤薄成本呢？美國(guó)空軍研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)飛回式有翼液體助推器，如果一切順利也就能降低40%的發(fā)射成本，但沒(méi)有每年十幾次甚至更多發(fā)射，它的發(fā)射成本甚至比一次性火箭還高。美國(guó)空軍曾啟動(dòng)過(guò)復(fù)用助推器系統(tǒng)研究，最終還是只聽(tīng)樓梯響不見(jiàn)人下來(lái)；美國(guó)先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）倒是有一個(gè)XS-1項(xiàng)目，XS-1具備將最重3000磅/1360千克的載荷發(fā)射入軌的能力，它的目標(biāo)是每年至少10次的發(fā)射頻率下，發(fā)射費(fèi)用降低到500萬(wàn)美元。DARPA在公私合營(yíng)模式下只提供了1.4億美元，剩下的研制資金需要波音公司自帶干糧。波音只好搜羅舊貨，用翻新的SSME發(fā)動(dòng)機(jī)和現(xiàn)成的飛控軟件，其前景實(shí)在不容樂(lè)觀。

▲航天飛機(jī)

▲XS-1飛行器

復(fù)用火箭的擠壓

有翼式復(fù)用運(yùn)載器的發(fā)展步履維艱，目前無(wú)論是英國(guó)大型新概念的云霄塔（Skylon）還是使用美國(guó)小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的XS-1，未來(lái)仍然前途未卜。與此同時(shí)，運(yùn)載火箭的重復(fù)使用卻獲得突破，進(jìn)一步擠壓了有翼式運(yùn)載器的生存空間。

2013年9月美國(guó)DARPA提出XS-1方案時(shí)，獵鷹9號(hào)火箭重復(fù)使用還是天方夜譚。同年9月29日“獵鷹9號(hào)”發(fā)射成功，但一級(jí)火箭再入后砸到海面上。2014年兩次試驗(yàn)中獵鷹火箭在海面軟著陸成功，但2014年9月又砸到海面上。2015年1月和4月的發(fā)射中，海上回收平臺(tái)的兩次著陸都以失敗告終。2015年12月22日獵鷹火箭第一級(jí)在陸上成功垂直著陸，但還有無(wú)數(shù)人言之鑿鑿的說(shuō)，海上環(huán)境復(fù)雜小平臺(tái)無(wú)法成功降落，接下來(lái)2016年4月8日獵鷹火箭就在海上平臺(tái)降落成功了。2017年3月30日，獵鷹9號(hào)回收第一級(jí)再次投入發(fā)射，到現(xiàn)在復(fù)用發(fā)射成功已經(jīng)司空見(jiàn)慣。

▲美國(guó)空軍曾經(jīng)預(yù)研的復(fù)用運(yùn)載器

▲發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)

然而XS-1在干什么呢？2014年DARPA正式發(fā)布合同，第一階段合同完成后，2016年4月7日又發(fā)布第二階段合同，次日獵鷹9號(hào)就在海上成功降落回收。2017年5月DARPA選定了波音公司研制XS-1，這時(shí)“獵鷹9號(hào)”都已經(jīng)完成首次復(fù)用發(fā)射了。XS-1計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)首次軌道發(fā)射，現(xiàn)在獵鷹9號(hào)Block5型火箭也發(fā)射回收了，它不需專門維護(hù)就能重復(fù)使用10次以上。馬斯克表示今年就有望看到同一枚Block5型火箭進(jìn)行第3次甚至第4次發(fā)射，明年看到第10次發(fā)射，而它的終極目標(biāo)是挑戰(zhàn)連續(xù)100次重復(fù)使用！

對(duì)比復(fù)用的獵鷹火箭，XS-1復(fù)用方案除了帶有機(jī)翼，進(jìn)度上實(shí)在差得太遠(yuǎn)了。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，有翼式復(fù)用運(yùn)載器起了個(gè)大早，趕了個(gè)晚集，關(guān)鍵是成本降不下來(lái)，那么它們的成本又如何呢？XS-1的目標(biāo)是3670美元/千克，而現(xiàn)在一次性的獵鷹9號(hào)火箭就做到了2720美元/千克，進(jìn)一步復(fù)用后成本還能降低。XS-1復(fù)用運(yùn)載器既不能發(fā)射大型衛(wèi)星，單位發(fā)射成本還更高，受到復(fù)用火箭的擠壓后，有翼式的復(fù)用運(yùn)載器前途就更黯淡了。