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

12月22日，一個震撼世人的消息很快傳遍了世界各地：美國SpaceX公司的獵鷹9號火箭，在運送Orbcomm公司11顆通訊衛(wèi)星進入軌道后，地面成功回收了返回的一級火箭，創(chuàng)造了人類太空史上當(dāng)之無愧的第一。（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攝影。

 

（來自SpaceX官網(wǎng)）

這與2015年11月24日美國藍色起源公司（Blue Origin）進行的New Shepard火箭回收實驗形成了鮮明的對比，下圖展示了兩次回收的軌跡巨大區(qū)別。相比而言，獵鷹九號實現(xiàn)了一次標準的入軌軌跡，一級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)，可謂是個讓人極其信服的實驗，相較之下藍色起源的New Shepard還處在初級驗證階段。

（圖片來自Jon Ross所在的ZLSA工作室）

關(guān)于SpaceX這個公司和他老板伊隆·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，沒有工業(yè)化批量生產(chǎn)，火箭的制造與發(fā)射一直是個極其昂貴的過程，動輒上億乃至數(shù)億美元。為了航天發(fā)射節(jié)省成本，上世紀美國和蘇聯(lián)在太空競賽的背景下提出了利用可回收的優(yōu)勢發(fā)展航天飛機，然而事實證明由于系統(tǒng)過于復(fù)雜、再利用成本極其高昂，航天飛機成為一個失敗的科研項目：美國航天飛機平均的發(fā)射費用達到了瞠目結(jié)舌的15億美元，加上挑戰(zhàn)者號和哥倫比亞號的失敗，直接導(dǎo)致項目下馬。而蘇聯(lián)人做的暴風(fēng)雪號，則完全沒有投入實際使用就宣告退役。這種背景下，重復(fù)回收火箭被人重新提出。

因為從理論上講，火箭的發(fā)射成本里面，燃料的費用非常低。以獵鷹九號為例，單次發(fā)射費用為5400萬美元，但燃料費只有20萬美元，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）、無法預(yù)測的發(fā)動機翻新費用等系列缺點，但沒有人敢斷言在未來技術(shù)成熟和火箭發(fā)射頻率要求提升的背景下，這是個會多有前景的黑科技。

于是乎，各個航天大國的火箭回收項目又看到了曙光，由于火箭絕大部分成本都在一級（比如獵鷹九號一級帶有9個發(fā)動機，二級只有1個），也從可行性方面考慮（二級及以上飛行距離過遠過高回收幾乎不可能），所有的火箭回收都針對一級火箭。但目前各國尤其是美國的航天科研重心并不在于此，這讓背景為民營的SpaceX有了自己的科研空間。但要記住，航天永遠是國之重器，SpaceX研究的火箭回收技術(shù)，只是美國宇航局出讓出去的很小一部分而已。

那么，SpaceX是如何做到的？

• 說到這里，先簡單回顧下SpaceX的成立。

SpaceX是一家民營的私人航天公司，是的，你沒有看錯，剛開始這并不是政府重點扶持立項的企業(yè)。伊隆·馬斯克是個超級天才，12歲已經(jīng)在賣自己開發(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（他一個人持有整個公司三分之二的股份，標準的私人公司），然后便開始了他的航天之路。在逐漸獲得成功之后，拿到了美國宇航局的合同和技術(shù)支持，才真正踏上了飛天之路。

 

（圖片來自SpaceX官網(wǎng)）

• 火箭發(fā)動機的制造

SpaceX的火箭發(fā)動機制造技術(shù)可謂是看家本領(lǐng)，短短數(shù)年間就開發(fā)出了Merlin、Kestrel、Raptor、Draco和SuperDraco幾個系列火箭發(fā)動機。從煤油、甲烷到自燃類引擎幾大系列，可謂是一個非常豐富的家族了，但一個Merlin系列就包含了六種版本，在這方面完全達到了航天大國水準。獵鷹九號上的一級火箭，則由9個捆綁的Merlin Vacuum (1D)型發(fā)動機構(gòu)成，整個系統(tǒng)采用了非常先進的系統(tǒng)冗余和容錯設(shè)計，可以在兩枚發(fā)動機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)，前無古人。

 

（圖片來自SpaceX官網(wǎng)）

• 可回收火箭及其返回的跳躍實驗

有了系列發(fā)動機，SpaceX最早做出了蚱蜢(Grasshopper)系列火箭。

正如其名，這些試驗機基本上采用“跳躍”的方式發(fā)射，然后關(guān)閉發(fā)動機系統(tǒng)讓火箭下落，以進行垂直狀態(tài)下的火箭控制與回收。從2012年9月到2013年10月，前后進行了8次試驗，從最早的點火三秒高度1.8米，到點火80秒高度超過500米并有了橫向機動，SpaceX獲得了一系列重要試驗數(shù)據(jù)，為未來成功奠定了重要基礎(chǔ)。在這個過程中，他們已經(jīng)從前期資金投入逐漸變?yōu)槊绹詈骄仲Y助。

 

（圖片來自SpaceX官網(wǎng)）

• 火箭整體實驗

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

• 實際發(fā)射任務(wù)——海上回收

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

第一次（2015年1月）單純?yōu)榱藴y試讓火箭直接掉到了海里；

第二次（2015年4月）使用了海上平臺但火箭直接傾覆后爆炸在平臺上；

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日迎來了首次成功，一系列投入終于換回了讓人欣慰的回報。

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

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

 

（回收時落地的畫面，來自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”減速。這對整個推進系統(tǒng)的設(shè)計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，風(fēng)險較大；

c、火箭發(fā)射一個重要指標就是推重比，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)計會占掉有效載荷的空間，導(dǎo)致發(fā)射效率降低?；蛘呤菫榱诉_到同樣的發(fā)射能力，需要更大的火箭設(shè)計；

d、類似航天飛機，回收過后的維護尤其對一級發(fā)動機的維護，恐怕成本不亞于直接換一個新的；

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

從這些方面說，在目前這個技術(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。

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

這個意義就好比，當(dāng)初歐洲人航海，最早都是舉全國之力，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，人類發(fā)現(xiàn)航海技術(shù)不再遙不可及，造船公司、航運公司成為了現(xiàn)實，人們可以買票做出一百多年前開拓者做出的創(chuàng)舉。五月花號上的人，坐在船上，已然沒有了當(dāng)時開拓者們害怕的那種心境，他們只是買了在正常不過的船票，航海已經(jīng)成為人類開拓新世界的工具，不再神秘。

航天亦是如此，剛發(fā)展了不過70年時間，如今已經(jīng)從國之重器、國之大業(yè)，慢慢走向了商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，一個私人公司竟然能實現(xiàn)如此不可思議的成就，未來的航天將會更加普及，成本將會更加低廉，可靠性將會更加令人信服。航海用幾百年普及下來，航天可能100年內(nèi)即可實現(xiàn)，未來這些商業(yè)公司的航天，將會成為人類進入太空開發(fā)太空的一艘艘“五月花”號。這種意義上的貢獻，是要遠遠超過SpaceX做出的任何一個產(chǎn)品的。

向伊隆·馬斯克致敬！

向SpaceX的耀眼成功致敬！

向所有推動人類航天事業(yè)的航天人們致敬！

推薦閱讀：

1、硬創(chuàng)007｜解密 Elon Musk 的創(chuàng)業(yè)人生和他彪悍的思維模式

2、與終結(jié)者對抗，鋼鐵俠馬斯克10億美金打造的Open AI究竟是什么？

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。