DC-X：可重復使用火箭的先驅者

文/松堂

▲ DC-X第四次飛行實景

世界上第一種實現了垂直回收的火箭，是麥克唐納-道格拉斯公司的DC-X。這家公司早已經在1997年被波音公司收購，但是波音并沒有把DC-X的道路繼續走下去，那么誰是DC-X的繼承者呢？

DC-X是“三角快帆”（Delta Clipper）或“三角快帆試驗機”（Delta Clipper Experimental）的縮寫。因此，國內有些資料直接把它稱為“三角快帆”。這種火箭由麥道公司與美國國防部戰略防御創新機構（SDIO）共同開發，并且在上個世紀90年代前期和中期進行了試制、試飛。DC-X解決了可回收火箭的不少技術問題，但是卻沒有走下去。

DC-X的由來

DC-X有關數據：

項目成本 ：6000萬美元（1991年）

尺寸： 高12米，直徑4.1米

質量： 18900千克

空質量： 9100千克

總質量 ：18900千克

動力：四臺RL-10A-5液氫液氧發動機，推力60千牛

DC-X的來歷有不同說法。美國航天專家杰瑞·波爾奈勒回憶說，“DC-X是在我家客廳里構思出來的，然后格雷厄姆將軍、馬克斯·亨特和我一起把這個概念兜售給了國家太空委員會主席、當時的副總統丹·奎爾”。不過，杰瑞提到的馬克斯·亨特卻有不同說法。他說，在自己退休之前的幾年里，一直在努力說服洛克希德·馬丁公司相信這個概念的價值。亨特曾經在1985年寫了一篇題為《機會》的論文，詳細介紹了單級入軌火箭的概念，這種火箭可以采用低成本的商業現貨部件和現有技術建造。但洛克希德·馬丁公司對資助這樣的計劃并不感興趣。

1989年2月15日，正值冷戰后期，蘇聯還沒有解體，波爾奈勒、格雷厄姆、亨特得到機會，面見了丹·奎爾。他們提出，美國要部署任何天基武器系統，都需要有比航天飛機可靠得多的發射服務，實現更低的發射成本和更短的發射時間。丹·奎爾把這個想法轉發給SDIO，后者提出，應該研制一種亞軌道可回收火箭（SRR），能夠把1361千克的有效載荷送到457千米的高度，返回發射場進行精確軟著陸，然后可以在3～7天內再次發射另一個載荷。

三人很快找到了一個起點，那就是麥道公司工程師菲利普·博諾的設計。他曾在1967年設計過一種單級垂直起降火箭，叫做SASSTO，認為這是太空旅行的未來。于是DC-X大幅度借鑒了他的設計。不過博諾本人運氣不太好，他在DC-X首次試飛前不到3個月就去世了。

雖然有博諾的設計，但也僅僅是設計而已，并不是真的樣機。因此，DC-X的基本計劃是生產一個簡化的測試飛行器，采用“小步快跑”的方式，積累完全可重復使用的快速發射火箭經驗。等積累到一定程度，就建造一個更大的原型火箭，用于亞軌道飛行和入軌測試。最后，將從這些原型中開發出一種具有商業價值的火箭。

現在來說說為什么把這個型號叫做“三角快帆”。麥道公司的民航客機用DC作為型號前綴，為了保持一致，項目組建議把這種火箭也用DC作為前綴，稱為DC-X。X表示“實驗性”。等過了這個階段，就要研制DC-Y，Y是美國空軍對預生產測試飛機和原型機的指定。最后，生產版本將被稱為DC-1。不過，僅僅把它叫做DC-X，聽起來不夠“文藝范”，所以，麥道公司和空軍選擇了“三角快帆”這個詞組來闡述DC的內涵。三角快帆在西方文化有著特殊的含義，它一般是架設在帆船正前方那根伸出船頭的斜桅上。如果遇上順風，架起三角帆，就能讓船跑得飛快，所以叫做“快帆”。“三角快帆”和中文中的“快馬加鞭”有著類似的含義。

▲ DC-X 的基本結構

DC-X的設計

DC-X是一個三分之一尺寸的原型機。設計師們從沒指望它能飛上太空，只是用來演示垂直起降的概念。垂直起降概念在1950年代的科幻電影中頗為流行。它將像標準火箭一樣垂直起飛，然后頭部向上、尾部朝下垂直著陸。當然，在降落過程中，火箭可以是頭部先進入大氣層的，然后通經過姿態控制推力器和主發動機來控制下降過程，翻滾后回到底部朝下的姿態，用支腿著陸。這對于快速再次發射當然是最有利的。

但是從理論上講，用火箭尾部向前重返大氣層，實現起來更容易。火箭底部具有比較良好的防熱性能，如此才能抵擋發動機的高溫燃氣。而且火箭尾部的面積比較大，散熱效果比較好，產生的峰值溫度要比頭部再入低得多，而且不需要火箭做大幅度翻滾。

然而，如果真的要執行軍事任務之后回收火箭，問題要比這復雜得多。如果要滿足安全要求，應該實現所謂的“單圈返回”。也就是說，火箭在繞地球飛行一圈之后，正好返回發射場著陸。不過,在上世紀90年代前后，美國軍方發射的衛星多數是偵察衛星，它們采用太陽同步軌道，典型的軌道周期是90～120分鐘。地球在這段時間內會向東旋轉約20～30度。這個經度換算到美國南部，就是大約2400千米的距離。也就是說，如果火箭從卡納維拉爾角發射，等到它繞地球一圈，下方就不再是卡角了，而是墨西哥境內的某個地方。如果要讓火箭返回卡角，就需要讓它具備很強的機動能力。如果靠火箭尾部再入，很難實現所需要的氣動效果。所以DC-X采用了頭部向下的再入方案，機身上的平坦側面和大型控制襟翼提供了所需的跨區域機動能力。這也是DC-X的主要設計特點。

或許有人會說，“獵鷹9號”不就采用了被DC-X放棄的尾部向下、反推降落方式嗎？有什么不行的呢？需要知道，“獵鷹9號”僅僅是回收第一級而已。當一級分離的時候，火箭還遠遠沒有達到入軌速度。因此，不能認為“獵鷹9號”推翻了DC-X的結論。

DC-X項目的另一個重點是最大限度地減少維護和地面支持。為此，這種火箭努力實現了自動化操作，整個控制中心只需要3個人，其中2人負責飛行控制，1人負責地面支持。

▲ DC-X火箭的降落會向西漂移2400千米

▲ DC-X的主要分系統

制造與試飛

DC-X的建設始于1991年，在麥道公司的亨廷頓海灘工廠總裝。火箭殼體由比例復合材料公司制造。如果你聽到這個名字感到耳熟，那就對了。這正是為維珍銀河公司打造太空旅游飛船的那家企業。不過，DC-X的大部分零件用商業現貨集成，其中包括發動機和飛行控制系統。發起者們的設想，還是貫徹到了設計中。

1993年8月18日DC-X實現了首飛，持續飛行59秒，然后穩穩地降落。據稱，這是有史以來第一次，有一枚火箭在受控狀態下垂直降落在地球上。9月11日和9月30日，DC-X又進行了兩次飛行。然而這個時候冷戰早就結束了，SDIO再也沒有理由要錢搞星球大戰了，美國空軍也不再需要高強度發射衛星——他們下一次發現自己需要頻繁發射，要等到21世紀來臨。于是，DC-X計劃也沒錢了。

眼看項目就要下馬，美國宇航局和國防高級研究計劃局（DARPA）提供了一些錢，于是DC-X在1994年6月20日再次啟動飛行試驗，持續136秒。1994年6月27日的試飛中，DC-X出了點輕微故障，但還是成功地回收和自動著陸。經過修理，DC-X在1995年5月16日、6月12日和7月7日進行了3次飛行。不過最后一次著陸失敗，火箭殼體破損。與此同時，DC-X的經費也被大幅度削減，剩下的錢不夠修理的。到這時候為止，DC-X的飛行高度記錄為2500米。

▲ DC-XA試驗飛行全過程

▲ 洛馬公司的X-33

▲ 準備起飛的DC-XA

升級后的火箭DC-XA

經過一番游說，美國宇航局同意繼續提供資金，但這筆錢不僅僅是用來修復DC-X，還要進行一系列重大升級，來測試新技術。首先，氧氣罐被俄羅斯出口的輕型鋁鋰合金罐所取代，氫氣罐改用石墨-環氧樹脂復合材料設計，控制系統也得到了改進。升級后的火箭被稱為DC-XA。

DC-XA在1996年5月18日首次飛行。設計師們特意讓它“緩慢著陸”，但這導致發動機射流長時間噴射到外殼上，造成輕微起火。經過修理，DC-XA在6月7日和8日又飛行了兩次，中間只隔了26小時。在第二次飛行中，DC-XA創造了3140米的飛行高度和142秒的持續時間記錄。然而在7月7日的試飛中，一根著陸支腿由于液壓管路斷裂而無法伸出，DC-XA墜毀在地面上。泄漏的液氫罐引發了一場大火，幾乎把整箭燒毀，失去了維修價值。

事故調查結果讓美國宇航局很尷尬。直接原因是一名現場工作人員疲勞過度出了差錯，但是深層次的問題卻在美國宇航局自己身上。這個項目從SDIO那里移交過來之后，美國宇航局的支持并不得力，不但資金供應斷斷續續，而且經常討論要不要取消項目。項目組也批評美國宇航局對DC-X有一種“寒蟬效應”，而且它們要求的文書工作量太大了。

美國宇航局之所以會如此對待DC-XA項目，也和內部斗爭有關系。當時美國宇航局正在實施X-33“冒險星”計劃。這個型號是洛·馬公司負責研制的。一枚全新的DC-XA當時只需要5000萬美元，也就是X-33的一個零頭。如果DC-XA取得了成功，那么X-33項目的生存就受到了威脅。經過反復考慮，美國宇航局最后決定放棄DC-XA項目，把重點放在“冒險星”上。事實證明這個決策是錯誤的，X-33的液氫儲罐技術問題一直沒有解決，導致最后型號下馬。

▲ DC-X火箭降落時底部溫度極高

后來呢？

聽起來，DC-X是一個讓人悲傷的故事，不過后來發生的事情也沒有那么差。藍色起源公司聘請了幾位從事DC-X工作的工程師，他們所開發出來的型號，就是在2021年帶著貝索斯本人進行亞軌道飛行的“新謝潑德”火箭。亞軌道旅游的技術需求，讓DC-X的優勢充分發揮。除此之外，美國犰狳宇航、馬斯滕空間系統公司和TGV火箭飛船的設計當中，也可以看到DC-X的很多元素。

還有一些美國宇航局的工程師認為，DC-X的理念可以用在火星和月球上，在星球表面和繞飛空間設施之間提供通勤服務。

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那些被取消的可重復使用計劃

在航天史上，除了最有可能把垂直發射及返回（VTVL）付諸實現但被美國宇航局放棄的DC-X計劃之外，還有一些計劃“胎死腹中”。

英國HOTOL空天飛機（水平發射及返回HTHL）

HOTOL是由英國設計的無人單級可復用空天飛機，它采用羅羅公司吸氣式引擎“吞咽RB54 Swallow”，該發動機在稠密大氣層中利用空氣中的氧氣作為氧化劑，到達高層空間或進入高速運行時則轉換為火箭發動機模式，燃燒自帶的液氧作為氧化劑。該項目從1982年啟動，但由于技術難度和經費等原因，在1989年取消。

蘇聯曙光（Zarya）飛船（垂直發射垂直返回VTVL）

曙光飛船是蘇聯的一個秘密項目，采用垂直發射垂直返回模式入軌及返回，目標是在20世紀80年代末具備替換聯盟號飛船的能力。1985～1989年由能源公司負責研制，在蘇聯解體后，因經費原因被擱置。

歐空局Hermes空天飛機（垂直發射水平返回VTHL）

Hermes自1975年由法國初始設計，1987年由歐空局（ESA）主持開發，該飛行器發射時安裝在火箭頂部，通過水平滑行返回。按照計劃，1988～1990年進行項目前期設計，但是由于項目進度、性能指標、經費等問題，加上已達成與俄羅斯合作等原因，導致該項目在1992年被取消。

2010年，歐空局以Hermes項目成果為基礎的SOAR型號（部分重復使用空天飛機項目）啟動。但也在研發一段時間后，由于承擔任務的瑞士公司破產而終止。

美國X-30空天飛機（水平發射及返回HTHL）

美國在1986年啟動了單級入軌計劃——X-30空天飛機，由羅克韋爾公司研制，目標是實現載人，速度可達到20馬赫。由于技術難度等原因，在第一架原型機完成前的1993年初取消了研制計劃。

日本復用飛行器試驗（RVT）項目（垂直發射垂直返回 VTVL）

日本復用飛行器試驗項目在1998～2003年實施。該項目是由一種可重復使用火箭進行多種試驗飛船的飛行試驗。項目共完成了4個試驗飛船，這些試驗飛行器特性包括基于需求飛行、快速回轉、高性能和輕質結構及材料等，以驗證重復發射火箭的能力。