可重復使用2.0：添柴公司的全箭可回收方案

文/李晨風

▲ 添柴公司的發動機測試

馬斯克僅僅實現了火箭一級和整流罩回收，正在考慮二級回收。如今已經有人比他步子邁得更大。2021年，一家新興企業先后弄到了兩筆投資，第一筆價值9100萬美元，第二筆價值6500萬美元，準備啟動全箭可回收型號的設計。

這家企業的英文名字叫做stoke space，stoke在英語中的意思很多，用作動詞的時候可以解釋成添柴、添煤，甚至是“煽風點火”。但如今用作名詞的時候，也可以指“司爐”，就是老款蒸汽火車里，負責往鍋里添煤的那位師傅。這家公司的LOGO就是兩道正在上升的火焰，看起來更像野營的篝火。所以，我們在這里不妨把它翻譯成“添柴公司”。

為啥要搞“可重復使用2.0”

添柴公司的技術團隊是有些來頭的，創始人兼CEO安迪·拉帕薩曾經在藍色起源公司供職，參加了BE-4發動機的研制。雖然整個公司加上他只有9名員工，但這些人分別來自太空探索技術公司和藍色起源公司，對火箭重復使用問題是有技術積累的。添柴公司也把自己的技術描述為“可重復使用2.0”。

拉帕薩在接受記者采訪時指出，他之所以要成立企業搞這樣一種火箭，是因為航天產業和航天技術發生了很大變化。在上世紀七八十年代，政府和軍隊是主要的航天客戶，一顆衛星價值就達到幾億甚至幾十億美元。在這種背景下，如果單次發射收費1億多美元，客戶根本就不在乎，只要能把衛星安全送上天就行。但是進入21世紀，衛星制造技術已經很成熟，衛星價格大幅度下跌。如果發射服務的價格不能相應下降，就會給衛星用戶帶來極大的困擾，甚至讓很多創業者、投資者望而卻步，不再考慮投身于商業航天。所以，必須大幅度降低發射服務的價格。

拉帕薩認為，雖然“獵鷹9號”的可重復使用已經拉低了價格，但是還遠遠不夠，它的發射頻率也不夠。拉帕薩決心研制一種火箭，可以把發射費用降低到原來的二十分之一，也就是幾百美元一千克的水平，把發射頻率提高到每天一次。這就必須實現全箭可重復使用技術，一級、二級、整流罩都要重復使用，而且不能對檢修工作形成很大壓力。

難度極大的方案

添柴公司目前正在研制的火箭只有一種。這是一種兩級火箭，看上去有點短粗。這兩級火箭采用相同的液氫液氧發動機。根據太空探索技術公司和藍色起源公司的實踐，如今一級火箭回收已經是可以實現的。添柴公司的一級火箭也打算采取和“獵鷹9號”相似的回收方式，那么難度當然就在二級火箭了。

添柴公司的二級火箭采用了和火箭實驗室公司中子號火箭類似的設計思路，也就是整流罩和二級鏈接在一起。整流罩入軌后像花瓣一樣打開，星箭分離，然后整流罩合攏，返回地球。不過中子號火箭的整流罩只有兩瓣。

從技術上分析，添柴公司的二級研制難度巨大。星箭分離的時候，已經達到了第一宇宙速度，也就是每秒7800米。要把一個物體從這樣的高速再入大氣層，然后逐步減速，最后降落在地面上，如何把巨大的動能消耗掉呢？無非是氣動減速和火箭反推兩種方法。從動畫演示看，添柴公司的火箭沒有考慮降落傘，最后著陸階段采用火箭反推。但是在再入過程中靠什么減速，添柴公司的視頻中沒有詳細說明。

按照目前人類的宇航技術，如果要把一個物體從第一宇宙速度降低到零，必須靠氣動減速+降落傘+火箭反推的三合一方案。沒有降落傘，那么飛行器就必須靠自己的氣動外形來降落。太空探索技術公司一度打算取消載人飛船的降落傘，僅僅依靠氣動減速和發動機反推來降落回收，但是后來放棄了這個過于激進的想法。而且僅僅是在部分飛行階段采用氣動減速，便會導致嚴重的氣動加熱，必須為飛行器設置充分的熱防護手段，至少要有很厚的熱防護層，這不但增加了第二級的重量，而且對開合式整流罩設計極為不利。

▲ 添柴公司的發動機單機測試

▲ 添柴公司的整流罩結構

從添柴公司發布的整流罩圖片來看，也完全沒有熱防護系統的跡象。而且，開合式設計有個比較麻煩的地方，就是如何保證接縫的密封性。一次性使用的整流罩可以在發射前充分密封，拋整流罩前，用火藥或者機械力量強行沖破密封，也就是說，只需要密封一次。但是開合式設計就必須考慮二次密封，密封完成才能再入。否則，無論是整流罩向前再入，還是二級尾部向前再入，加熱后的空氣都會從密封不嚴的地方竄進整流罩里，把火箭燒毀。哥倫比亞號航天飛機就是被熱空氣通過裂縫竄入內部而失事的。

另外，二級火箭要把載荷從亞軌道飛行速度推動到軌道飛行速度，需要攜帶足夠的燃料。完成入軌任務后，還必須有足夠的燃料，完成最后的反推著陸工作。那么燃料預留比例肯定要比獵鷹9號火箭大得多。添柴公司的火箭采用液氫液氧，比液氧煤油要貴，但也不是無法接受。麻煩的就是燃料預留比例。如何在有限空間、有限重量限制下，攜帶足夠的燃料，又不能過分影響載荷能力，是個很麻煩的事情。考慮到熱防護系統的重量，麻煩就更大了。

來回使用的發動機

當然，從目前公布的新聞看，添柴公司還沒有顧得上這些問題。他們近期的主要工作就是解決發動機的基本設計與可重復使用。雖然兩級火箭采用同型發動機，但是二級火箭要在高空工作，所以添柴公司打算為它們采用真空型噴管，而不是一級火箭發動機的常規擴張型噴管。這種噴管在接近真空的環境里表現很好，但是如果用在返回過程中，空氣密度是越來越大的，是不是還能發揮充分的推力和推進效率，就成了一個大問題。