【編者按】本文作者毛新愿，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)航天工程專(zhuān)業(yè)博士，主攻低軌衛(wèi)星定軌，北斗/GPS

12月22日，一個(gè)震撼世人的消息很快傳遍了世界各地：美國(guó)SpaceX公司的獵鷹9號(hào)火箭，在運(yùn)送Orbcomm公司11顆通訊衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，地面成功回收了返回的一級(jí)火箭，創(chuàng)造了人類(lèi)太空史上當(dāng)之無(wú)愧的第一。（可參考雷鋒網(wǎng)消息：SpaceX火箭發(fā)射回收成功，又一次創(chuàng)造了航天史奇跡）

從下圖中可以看到這次發(fā)射任務(wù)火箭軌跡震撼的延時(shí)攝影。

 

（來(lái)自SpaceX官網(wǎng)）

這與2015年11月24日美國(guó)藍(lán)色起源公司（Blue Origin）進(jìn)行的New Shepard火箭回收實(shí)驗(yàn)形成了鮮明的對(duì)比，下圖展示了兩次回收的軌跡巨大區(qū)別。相比而言，獵鷹九號(hào)實(shí)現(xiàn)了一次標(biāo)準(zhǔn)的入軌軌跡，一級(jí)火箭在將剩余部分火箭送入既定位置后繼續(xù)返回，返回高度已經(jīng)超過(guò)200千米，飛行水平距離約95千米，而且剩余火箭成功完成了11顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，可謂是個(gè)讓人極其信服的實(shí)驗(yàn)，相較之下藍(lán)色起源的New Shepard還處在初級(jí)驗(yàn)證階段。

（圖片來(lái)自Jon Ross所在的ZLSA工作室）

關(guān)于SpaceX這個(gè)公司和他老板伊隆·馬斯克（Elon Musk）的傳奇經(jīng)歷，下篇文章再談，本次先為大家回顧下獵鷹九號(hào)火箭的成功歷程。

首先，為什么要回收火箭？

由于技術(shù)復(fù)雜，沒(méi)有工業(yè)化批量生產(chǎn)，火箭的制造與發(fā)射一直是個(gè)極其昂貴的過(guò)程，動(dòng)輒上億乃至數(shù)億美元。為了航天發(fā)射節(jié)省成本，上世紀(jì)美國(guó)和蘇聯(lián)在太空競(jìng)賽的背景下提出了利用可回收的優(yōu)勢(shì)發(fā)展航天飛機(jī)，然而事實(shí)證明由于系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜、再利用成本極其高昂，航天飛機(jī)成為一個(gè)失敗的科研項(xiàng)目：美國(guó)航天飛機(jī)平均的發(fā)射費(fèi)用達(dá)到了瞠目結(jié)舌的15億美元，加上挑戰(zhàn)者號(hào)和哥倫比亞號(hào)的失敗，直接導(dǎo)致項(xiàng)目下馬。而蘇聯(lián)人做的暴風(fēng)雪號(hào)，則完全沒(méi)有投入實(shí)際使用就宣告退役。這種背景下，重復(fù)回收火箭被人重新提出。

因?yàn)閺睦碚撋现v，火箭的發(fā)射成本里面，燃料的費(fèi)用非常低。以獵鷹九號(hào)為例，單次發(fā)射費(fèi)用為5400萬(wàn)美元，但燃料費(fèi)只有20萬(wàn)美元，所以如果能回收單看數(shù)據(jù)自然大大降低了成本。

雖然由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度增加、冗余及備份、犧牲發(fā)射效率（火箭內(nèi)還要留有燃料）、無(wú)法預(yù)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)翻新費(fèi)用等系列缺點(diǎn)，但沒(méi)有人敢斷言在未來(lái)技術(shù)成熟和火箭發(fā)射頻率要求提升的背景下，這是個(gè)會(huì)多有前景的黑科技。

于是乎，各個(gè)航天大國(guó)的火箭回收項(xiàng)目又看到了曙光，由于火箭絕大部分成本都在一級(jí)（比如獵鷹九號(hào)一級(jí)帶有9個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)只有1個(gè)），也從可行性方面考慮（二級(jí)及以上飛行距離過(guò)遠(yuǎn)過(guò)高回收幾乎不可能），所有的火箭回收都針對(duì)一級(jí)火箭。但目前各國(guó)尤其是美國(guó)的航天科研重心并不在于此，這讓背景為民營(yíng)的SpaceX有了自己的科研空間。但要記住，航天永遠(yuǎn)是國(guó)之重器，SpaceX研究的火箭回收技術(shù)，只是美國(guó)宇航局出讓出去的很小一部分而已。

那么，SpaceX是如何做到的？

• 說(shuō)到這里，先簡(jiǎn)單回顧下SpaceX的成立。

SpaceX是一家民營(yíng)的私人航天公司，是的，你沒(méi)有看錯(cuò)，剛開(kāi)始這并不是政府重點(diǎn)扶持立項(xiàng)的企業(yè)。伊隆·馬斯克是個(gè)超級(jí)天才，12歲已經(jīng)在賣(mài)自己開(kāi)發(fā)的商業(yè)軟件，30歲不到已經(jīng)兩次創(chuàng)業(yè)成功賺到了第一桶金。他在2002年創(chuàng)立了SpaceX，4年后正式注資了一億美元（他一個(gè)人持有整個(gè)公司三分之二的股份，標(biāo)準(zhǔn)的私人公司），然后便開(kāi)始了他的航天之路。在逐漸獲得成功之后，拿到了美國(guó)宇航局的合同和技術(shù)支持，才真正踏上了飛天之路。

 

（圖片來(lái)自SpaceX官網(wǎng)）

• 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的制造

SpaceX的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)可謂是看家本領(lǐng)，短短數(shù)年間就開(kāi)發(fā)出了Merlin、Kestrel、Raptor、Draco和SuperDraco幾個(gè)系列火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。從煤油、甲烷到自燃類(lèi)引擎幾大系列，可謂是一個(gè)非常豐富的家族了，但一個(gè)Merlin系列就包含了六種版本，在這方面完全達(dá)到了航天大國(guó)水準(zhǔn)。獵鷹九號(hào)上的一級(jí)火箭，則由9個(gè)捆綁的Merlin Vacuum (1D)型發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)采用了非常先進(jìn)的系統(tǒng)冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可以在兩枚發(fā)動(dòng)機(jī)失效的情況下完成正常發(fā)射入軌任務(wù)，這也是SpaceX的殺手锏技術(shù)，前無(wú)古人。

 

（圖片來(lái)自SpaceX官網(wǎng)）

• 可回收火箭及其返回的跳躍實(shí)驗(yàn)

有了系列發(fā)動(dòng)機(jī)，SpaceX最早做出了蚱蜢(Grasshopper)系列火箭。

正如其名，這些試驗(yàn)機(jī)基本上采用“跳躍”的方式發(fā)射，然后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)讓火箭下落，以進(jìn)行垂直狀態(tài)下的火箭控制與回收。從2012年9月到2013年10月，前后進(jìn)行了8次試驗(yàn)，從最早的點(diǎn)火三秒高度1.8米，到點(diǎn)火80秒高度超過(guò)500米并有了橫向機(jī)動(dòng)，SpaceX獲得了一系列重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為未來(lái)成功奠定了重要基礎(chǔ)。在這個(gè)過(guò)程中，他們已經(jīng)從前期資金投入逐漸變?yōu)槊绹?guó)宇航局資助。

 

（圖片來(lái)自SpaceX官網(wǎng)）

• 火箭整體實(shí)驗(yàn)

在蚱蜢火箭測(cè)試之前，SpaceX的獵鷹九號(hào)火箭已經(jīng)開(kāi)始了實(shí)際發(fā)射任務(wù)，從最早的2010年6月4日為國(guó)際空間站發(fā)射龍飛船(貨運(yùn))，到最近的本次發(fā)射，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了20次火箭發(fā)射任務(wù)，嚴(yán)格意義說(shuō)只有一次失敗(另一次有一半載荷沒(méi)能成功入軌)，但基本說(shuō)明火箭整體技術(shù)已經(jīng)日趨完善。而在火箭一級(jí)回收方面，作為8次蚱蜢火箭實(shí)驗(yàn)的延續(xù)，SpaceX在2014年進(jìn)行了4次近地火箭整體實(shí)驗(yàn)，高度在1000米左右，但最后一次不幸失敗，失之毫厘謬以千里，一個(gè)小小零件的故障導(dǎo)致了失敗。

• 實(shí)際發(fā)射任務(wù)——海上回收

在實(shí)際發(fā)射任務(wù)中，SpaceX也進(jìn)行了幾次一級(jí)火箭在分離后的返回試驗(yàn)，這就是大家比較熟悉的海上平臺(tái)回收。然而并非一切順利，總共三次試驗(yàn)：

第一次（2015年1月）單純?yōu)榱藴y(cè)試讓火箭直接掉到了海里；

第二次（2015年4月）使用了海上平臺(tái)但火箭直接傾覆后爆炸在平臺(tái)上；

第三次（2015年6月）直接在空中爆炸。

（2015年4月官方回收視頻截圖）

• 陸地回收最終成功

經(jīng)過(guò)了眾多失敗，SpaceX決定采用陸地回收的策略并終于在12月22日迎來(lái)了首次成功，一系列投入終于換回了讓人欣慰的回報(bào)。

火箭采取了垂直回收的方式，降落過(guò)程中逐漸導(dǎo)航至下降通道，最后落地前火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將相對(duì)速度降為接近0的狀態(tài)，采取四個(gè)支架平穩(wěn)著陸。

在回收視頻中可以看到，現(xiàn)場(chǎng)由于火箭噴射氣流產(chǎn)生了巨大的音爆，所有人剛開(kāi)始都認(rèn)為閃光中的火箭回收失敗了，但后來(lái)火焰熄滅看到火箭平穩(wěn)立住的那一刻，全場(chǎng)爆發(fā)了無(wú)盡的歡呼聲。觀看視頻時(shí)看到那些現(xiàn)場(chǎng)觀眾瘋狂的表情，讓人真正發(fā)自內(nèi)心為他們對(duì)人類(lèi)航天事業(yè)的巨大貢獻(xiàn)而自豪，這一天，一個(gè)新的時(shí)代，向我們張開(kāi)了大門(mén)！

 

（回收時(shí)落地的畫(huà)面，來(lái)自SpaceX官網(wǎng)）

火箭回收的意義到底是什么？

是否能真正降低成本，值得商榷和進(jìn)一步觀察：

a、為了回收，要增加額外的各種控制和導(dǎo)航空間，導(dǎo)致火箭的設(shè)計(jì)難度大大提高；

b、火箭為了保全，需要留下不少燃料作為后續(xù)的“剎車(chē)”減速。這對(duì)整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤其是燃料推送系統(tǒng)的要求極高，要增加很多冗余設(shè)計(jì)，風(fēng)險(xiǎn)較大；

c、火箭發(fā)射一個(gè)重要指標(biāo)就是推重比，相當(dāng)于有效載荷(衛(wèi)星或飛船)所占比例越高越好，但如果考慮回收，相當(dāng)于額外的一些燃料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)占掉有效載荷的空間，導(dǎo)致發(fā)射效率降低?；蛘呤菫榱诉_(dá)到同樣的發(fā)射能力，需要更大的火箭設(shè)計(jì)；

d、類(lèi)似航天飛機(jī)，回收過(guò)后的維護(hù)尤其對(duì)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)，恐怕成本不亞于直接換一個(gè)新的；

e、節(jié)約成本從本質(zhì)上講是當(dāng)發(fā)射頻率達(dá)到一定數(shù)量之后才有意義，比如歐洲，一年恐怕就發(fā)射個(gè)位數(shù)的火箭，就算用可回收火箭，使用頻率不夠，也會(huì)使運(yùn)營(yíng)與維護(hù)成本占火箭發(fā)射總費(fèi)用的比例極大增加。

從這些方面說(shuō)，在目前這個(gè)技術(shù)程度和航天發(fā)射需求下，SpaceX的火箭回收技術(shù)難以很大程度節(jié)約成本，或者只是成本略微降低而已。

但這畢竟是人類(lèi)航天史上一次劃時(shí)代的成功，意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止火箭成功回收這一技術(shù)上的勝利。SpaceX和之前藍(lán)色起源的成功，讓世間第一次意識(shí)到航天不再是一種遙不可及的領(lǐng)域。

這個(gè)意義就好比，當(dāng)初歐洲人航海，最早都是舉全國(guó)之力，送出兩三艘船，百年之內(nèi)便發(fā)現(xiàn)了美洲、環(huán)游了全世界。但突然間，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)航海技術(shù)不再遙不可及，造船公司、航運(yùn)公司成為了現(xiàn)實(shí)，人們可以買(mǎi)票做出一百多年前開(kāi)拓者做出的創(chuàng)舉。五月花號(hào)上的人，坐在船上，已然沒(méi)有了當(dāng)時(shí)開(kāi)拓者們害怕的那種心境，他們只是買(mǎi)了在正常不過(guò)的船票，航海已經(jīng)成為人類(lèi)開(kāi)拓新世界的工具，不再神秘。

航天亦是如此，剛發(fā)展了不過(guò)70年時(shí)間，如今已經(jīng)從國(guó)之重器、國(guó)之大業(yè)，慢慢走向了商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，一個(gè)私人公司竟然能實(shí)現(xiàn)如此不可思議的成就，未來(lái)的航天將會(huì)更加普及，成本將會(huì)更加低廉，可靠性將會(huì)更加令人信服。航海用幾百年普及下來(lái)，航天可能100年內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)，未來(lái)這些商業(yè)公司的航天，將會(huì)成為人類(lèi)進(jìn)入太空開(kāi)發(fā)太空的一艘艘“五月花”號(hào)。這種意義上的貢獻(xiàn)，是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SpaceX做出的任何一個(gè)產(chǎn)品的。

向伊隆·馬斯克致敬！

向SpaceX的耀眼成功致敬！

向所有推動(dòng)人類(lèi)航天事業(yè)的航天人們致敬！

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