可復用運載器：探索，一直在路上

文/遲惑

▲ 重型獵鷹第一級返回地面的場景

▲ 美國發現號航天飛機

2021年12月，法國政府宣布，一定要研制可重復使用火箭，彌補“十年前的錯誤”，并且打算在2026年投入使用。這意味著可重復使用運載器的市場競爭將進一步白熱化?？芍貜褪褂眠\載器的研制目的，是大幅度降低航天發射成本，提高發射頻率。對于這項技術的探索，從很早以前就開始了。但航天飛機的失敗讓很多發射服務商心有余悸，直到獵鷹9號火箭多次回收成功，并且進入商業化運行，大家才放下心來。相信經過一段時間的研發，可重復使用火箭將成為主流發射工具之一，為人類進入太空提供更大的方便。

從VTHL到VTVL

早期的可重復使用運載器主要有3種設計思路：垂直發射水平返回（VTHL）、水平發射水平返回（HTHL）、垂直發射垂直返回（VTVL）。而真正進行過軌道飛行的可重復使用運載器只有美國的航天飛機和X-37空天飛機。這兩種運載器的共同點是都采用了垂直發射水平返回，這在很長一段時間內，將可重復使用運載器的設計思路捆綁在了垂直發射水平返回的路線上。

但是，這兩種可重復使用的運載器的發展卻并不盡如人意。美國航天飛機是人類歷史上第一個可以重復使用的航天運載器。在1981～2011年的30年間，美國的5架航天飛機共執行了135次飛行任務。它的每次發射費用平均高達15億美元左右，而傳統的“火箭+飛船”的發射成本也就1億美元左右。而且就算付出了高昂的維護費用，也還是沒能避免1986年挑戰者號和2003年哥倫比亞號航天飛機的災難性事故，最終只能以退役收場。

美國X-37空天飛機由波音公司研制，也被稱為太空試驗飛行器，可以用“大力神5號”和“獵鷹9號”送入近地軌道。1999年美國宇航局啟動項目研制，2004年項目轉到美國國防部，并成為一個機密級項目。X-37在2006年前代號為X-37A，2006年11月美國空軍將其型號升級為X-37B。X-37B豈今為止共進行了6次飛行。第6次任務于2020年5月17日進行發射，目前該飛行器仍在橢圓形近地軌道上運行。在近地點時，它可以利用高空稀薄大氣通過氣動變軌，實現反跟蹤，以方便執行秘密任務。這么神秘的運載器，顯然是不能投入大規模使用的。

正當可重復使用運載器的發展停滯不前時，太空探索技術公司（SpaceX）橫空出世。2015年12月21日，太空探索技術公司的“獵鷹9號”將11顆衛星送入近地軌道，并成功回收火箭一級助推器。這是人類航天史上垂直發射垂直返回模式的首次助推器回收成功，從此垂直發射垂直返回運載器的常態化使用拉開序幕。

2018年2月6日，太空探索技術公司進行獵鷹重型運載火箭的第一次試驗飛行，將埃隆·馬斯克本人的特斯拉跑車送往火星，目前該跑車（太空垃圾）已進入與火星軌道交叉的行星軌道。獵鷹重型火箭的3個一級助推器中的2個成功回收，芯級未回收成功。

到2021年底，太空探索技術公司已經完成了“獵鷹9號”一級助推的第100次成功回收，也是人類航天史上垂直發射垂直返回軌道級發射任務的第100次助推器回收。

▲ 美國X-37空天飛機

▲ X-37是無人空天飛機，采用垂直發射水平返回模式

▲ 在“獵鷹9號”基礎上設計的獵鷹重型火箭

▲ 埃隆·馬斯克的“星艦”

火星移民夢造就的VTVL

是什么使太空探索技術公司這樣一家商業公司進入航天領域，并選定垂直發射垂直返回（VTVL）的可重復使用航天運載器作為主要研制方向呢？

首先，美國航天產業政策的變化為太空探索技術公司進入航天領域提供了很好的時機，同時由于政策的支持，起步初期的太空探索技術公司得到了一部分資金支持，為公司的發展提供了很大的幫助。

多年來，美國的航天工業一直被幾家航天巨頭壟斷，成為美國“軍工復合體”的一個重要組成部分。這帶來的一個直接后果是缺乏創新，價格高企，進度拖延。隨著冷戰結束，美國開始考慮將軍用、民用和商業航天的管理分離，并從國家層面推動創建有競爭力的商業航天企業，以構建全新的航天工業基礎。

美國的商業航天政策，主要從以下5個方面考慮：

·增強航天工業的經濟競爭力。隨著冷戰結束，美國國家頂層政策開始呼吁航天商業化，以創建有經濟競爭力的航天工業基礎。

·打破由傳統軍工巨頭把持航天的壟斷體制。由于航天的高技術、高投入和高風險，航天巨頭紛紛采用強強聯合的手段，形成了典型的寡頭壟斷市場結構，產生巨額的隱形壟斷成本。

·培育低成本、有創新能力的商業航天產業。美國宇航局通過優惠貸款、投資補貼和采購承諾等方式，支持充滿活力和創新的新興航天企業的誕生和成長。

·發展近地軌道經濟和地月經濟。將技術成熟的近地軌道發射、運輸、空間站建設和運營等逐漸轉變為商業性活動，形成基于商業的具有自我支持能力的良性運營模式，將美國宇航局的戰略使命全面轉向深空探測。

·降低美國宇航局的重資產配置。由航天器及相關設施的業主方，逐步向購買商業航天企業的服務轉變。

為此，美國發布了一攬子法律制度和資助計劃。以太空探索技術公司為代表的新興商業航天公司就是在這個政策的大環境中催生出來的。

其次，埃隆·馬斯克的火星移民夢想直接造就了垂直發射垂直返回可重復運載器的誕生。馬斯克曾表示，“我希望每天早上醒來，想著未來會很美好——這就是太空文明的意義所在。這讓我相信未來，相信未來會比過去更美好。我想不出有什么比到那里去和星星在一起更令人興奮的事了。”

馬斯克除了有這樣的夢想，又是一個推崇“第一性原理”的人。第一性原理指的是回歸事物本質，將其拆分成各要素進行解構分析，從而找到實現目標最優路徑的方法。

通常我們總是傾向于在前人已經做的和正在做的事情上去發展，這樣的結果只能是漸進地迭代發展。馬斯克和他的團隊思考問題的方法是回溯事物的本質，重新思考怎么做。按照第一性原理，馬斯克提出了以下目標：

▲ 2020年5月30日載人龍飛船由獵鷹9號火箭發射升空，這是全球第一次商業航天載人飛行任務

▲ 裝載貨運龍飛船的獵鷹9 號火箭整裝待發

全復用火箭

馬斯克的目標是實現人類移民火星，要實現這一目標，當時的任何一種太空運輸系統，成本都是不可行的。因此，移民火星首先需要解決的問題是大幅降低航天運輸系統的成本，說白了就是要把航天運輸系統打造成像飛機一樣全復用，這樣消耗的只有燃料（當然還有定期保養）。

這種設計的最終產品是該公司正在研制的超級重型火箭星艦。當然在這個過程中，技術需要積累，資金需要籌措，所以有了我們現在看到的太空探索技術公司主力火箭獵鷹9號和獵鷹重型。

數量級降低入軌成本

因為沒有完整的火星運輸成本數據做參考，這里拿近地軌道的數據做比較。太空探索技術公司全復用的超級重型運輸系統星艦近地軌道運輸目標成本為每千克10美元，而航天飛機的成本為每千克5.45萬美元，數千倍的差距。

VTVL的技術路線

對于返回方式的選擇，如果是水平返回，即使是有大氣層的外星，肯定也是沒有降落跑道的，因此選擇利用火箭推力垂直返回是人類登陸外星的不二之選，再難也要克服。

推進劑的選擇

推進劑首先考慮的是可以在外星原位制取，否則在商業上是無法接受的。氧化劑很自然地選擇氧氣，氧元素廣泛存在。

燃料的選擇稍顯復雜，煤油無法在外星原位制取，氫氣的液化溫度太低。甲烷的液化溫度適中，和氧氣液化溫度接近，在火箭燃料儲箱設計時可以相對簡化，而且都可以在火星上原位制取，在地球上也比氫氣和煤油便宜。這也就是星艦選擇采用液氧甲烷猛禽發動機的原因。

第三，美國航天飛機的退役為馬斯克帶來了更多的機會。航天飛機退役后，沒有載人航天發射能力的美國人，只能購買俄羅斯聯盟號載人飛船和進步號貨運飛船的服務，來完成國際空間站的往來。這促使急迫需要本國載人發射能力的美國政府把寶同時押在了太空探索技術公司和波音公司身上。事實證明，當時美國宇航局的決策是正確的，直到現在波音的“星際線”載人飛船還沒有交卷，而太空探索技術公司已經擁有了獵鷹9號火箭、獵鷹重型火箭、貨運龍飛船、載人龍飛船4個成熟型號。

▲ “獵鷹9號”海上回收

▲ 工人正在拆除“獵鷹9號”的一級格柵翼

▲ 返回后的“獵鷹9號”第一級

“獵鷹9號”的經濟賬

到目前為止，太空探索技術公司的獵鷹9號火箭和獵鷹重型火箭已經實現了常態化的一級火箭回收。業界普遍承認，一級回收所帶來的，不僅僅是節省一些錢的方法，與傳統一次性火箭相比，一級回收帶來的優勢已經完全顛覆了整個行業，迫使每家發射服務商都要重新考慮自己的業務模式。比如說，“獵鷹重型”的發射能力差不多是“獵鷹9號”的3倍，但是通過采用一級回收技術，它的成本僅僅比“獵鷹9號”多了33%。這對于傳統火箭制造來說，是不可想象的。

太空探索技術公司是一家私人控股公司，不公布財務報表，因此難以進行詳細的成本分析，只能根據它們的公開聲明推測一下。

2016年3月，太空探索技術公司總裁格溫·肖特韋爾表示，該公司預計重復使用一級火箭可以節省30%的成本。如果這轉化為服務價格降低30%，那么“獵鷹9號”的標價將從6120萬美元降至4280萬美元。

根據投資銀行杰弗里斯國際有限公司的測算，假設太空探索技術公司在發射時的毛利率為40%，那么按照6120萬美元報價，每次發射的直接成本是3670萬美元，包括火箭燃料和發射場運行費用。

埃隆·馬斯克曾經公開表示，一級火箭占火箭總成本的75%。如果40%的毛利率估計是正確的，那將意味著一級火箭的總成本為2750萬美元。馬斯克曾表示，第一級火箭可以重復使用數十次。在杰弗里斯國際有限公司的總結中說，如果太空探索技術公司將節省下來成本的50%讓利給客戶，那么“獵鷹9號”的報價可以降低21%，達到4830萬美元。如果100%提供給客戶，發射價格將下降40%，達到3700萬美元。

而馬斯克還曾經表示，“獵鷹9號”使用的燃料價格在20萬美元到30萬美元之間。這并不是一個離譜的數字，“獵鷹9號”采用液氧煤油推進劑，航空煤油是一種大批量生產的普通燃料。而液氧可以從空氣中制備，僅僅需要消耗電力。目前航空煤油的價格大概是1000美元左右一噸。液氧的價格只有煤油的十分之一左右?！矮C鷹9號”第一級燃料總攜帶量255噸，按照氧氣和煤油2.6:1左右的配比，馬斯克的說法是可信的。

▲ 返回后的“獵鷹9號”支撐腿

馬斯克親自透露了關于可重復使用的財務細節。他說，“由于重復使用一級火箭和整流罩，有效載荷能力減少了不到40%，回收和翻新的成本不超過新火箭價格的10%，所以一枚一級火箭飛行2次可以實現不賠不賺，飛行3次就是穩賺了。”

雖然一級回收過程需要預留10%的燃料，并且損失運載能力，但是這部分燃料的價格只有幾十萬美元，所以損失最大的應該是運載能力。按照損失40%運力后每次發射收費6000萬美元計算，損失掉的發射服務費達到4000萬美元，不是小數。

下一個問題是，一級回收之后的檢修和翻新要花多少錢。歐洲阿里安公司曾經公開評論說，翻新成本是決定性的，但是因為太空探索技術公司不肯公布細節，因此無法做出判斷。將重復使用的火箭轉化為切實的資本支出節約，是存在持續挑戰的，其中包括火箭失敗、保險、改造周期等，但前進方向是明確的。

太空探索技術公司火箭集成總監克里斯托弗·庫盧里斯給出了更加樂觀的數字，他說重復使用第一級可以把“獵鷹9號”發射成本降低到2800萬美元。

2020年5月，馬斯克甚至給出了更低的數字。他在接受《航空周刊》采訪時說，“獵鷹9號”的邊際成本為1500萬美元。這里的邊際成本，可以理解為刨除各種研發費用，僅僅考慮一枚火箭的制造費用。在這次采訪中，馬斯克還明確表示，翻新一級火箭的成本為100萬美元。這與“不到10%”的說法還算吻合。

那么，“獵鷹9號”第一級可以重復使用多少次呢？馬斯克說，這個數字可能沒有限制，他甚至認為可以超過100次，只不過清理發動機有點麻煩。

當然，如果把研發費用平攤到每次發射上，重復使用火箭要想賺錢，就需要更長時間了。馬斯克在2017年3月指出，該公司在可重復使用的發射技術上花費了超過10億美元，按照杰弗里斯國際有限公司推測的利潤率，“獵鷹9號”要重復發射40次才能把這筆錢賺回來。不過，按照“獵鷹9號”每年發射30多次的頻率，似乎也可以接受。

▲ “星艦”飛行示意圖

隨著太空探索技術公司的成功，各國政府和商業航天公司不約而同地把目光瞄準可重復使用運載器。這種大干快上的局面，意味著可重復使用運載器的春天就要來臨了。但是，任何新技術都不會那么順利。其實，上一種實現了頻繁重復使用的火箭，就是航天飛機的固體助推器。曾經在美國宇航局擔任探索系統開發副局長的丹·達姆巴徹表示，他們本來打算讓這兩根鉛筆樣的火箭重復使用55次，但花了很多錢、很多時間后，并沒有達到這個指標。美國宇航局似乎沒有自己想象的那么聰明。

當然，也有很多企業從自己的實際出發，認為盲目追求可重復使用是不現實的。美國螢火蟲宇航公司負責人就表示，對初創公司來說，能制造一次性使用火箭就不錯了，重復使用的夢想還太遙遠了。事實證明，他說的一點都沒錯。2021年9月，這家公司的阿爾法火箭首次發射就遭遇失敗，在空中炸成一團火球，給2021年貢獻了最慘烈事故照片。也有人指出，馬斯克并不是一開始就做到了重復使用。他最早的火箭獵鷹1號就是一次性使用的。馬斯克最信任的副手、現任太空探索技術公司總裁肖特維爾也承認，沒有“獵鷹1號”提供的經驗教訓，就不會有“獵鷹9號”的成功。所以，在研制可重復使用火箭的道路上，還會遇到一些坎坷，付出一些代價。