“鷹”飛九天——私營宇航業(yè)迎來一縷曙光

□ 羅斯 陳杰

按照預(yù)定目標(biāo)，“獵鷹”9號(hào)火箭應(yīng)把飛船模型送入距地面250千米高的軌道

6月4日，美國私營企業(yè)太空探索技術(shù)（SpaceX）公司從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地，成功試射一枚“獵鷹”9號(hào)（Falcon 9）運(yùn)載火箭，并將“龍”系列飛船的一個(gè)模型送至相應(yīng)軌道。

美國航宇局計(jì)劃在航天飛機(jī)退役后利用“龍”系列運(yùn)送貨物甚至航天員前往國際空間站。無論是“獵鷹”9號(hào)的運(yùn)載能力，還是研發(fā)公司的成長速度，都反映了美國航天工業(yè)基礎(chǔ)之雄厚，更具革命性的是，美國私營企業(yè)在航天界的攻城略地，很可能會(huì)在將來顛覆航天發(fā)展的舉國體制。

“獵鷹”系列火箭示意圖

按照預(yù)定目標(biāo)，“獵鷹”9號(hào)火箭應(yīng)把飛船模型送入距地面250千米高的軌道

“獵鷹”9號(hào)一級(jí)火箭采用了9臺(tái)“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)

“獵鷹”9號(hào)一級(jí)火箭采用了9臺(tái)“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)

“獵鷹”火箭的技術(shù)性能

獵鷹系列火箭包括“獵鷹”1號(hào)和“獵鷹”9號(hào)，可將輕型、中型和重型航天器送入不同傾角和不同高度的軌道。其中“獵鷹”9號(hào)又根據(jù)使用的整流罩不同以及捆綁的助推器不同分為4個(gè)型號(hào)，首次發(fā)射的型號(hào)整流罩直徑為3.6米。

迄今為止，包括“獵鷹”1號(hào)和“獵鷹”9號(hào)在內(nèi)的獵鷹系列運(yùn)載火箭總共執(zhí)行了6次發(fā)射任務(wù)，3次獲得成功。

2008年9月28日，美國空間探索技術(shù)公司研制的“獵鷹”1號(hào)運(yùn)載火箭從美國陸軍里根彈道導(dǎo)彈防御試驗(yàn)場(chǎng)起飛，將質(zhì)量約為165千克的“鼠星”模擬衛(wèi)星成功送入預(yù)定軌道。此次成功發(fā)射是具有快速空間響應(yīng)（ORS）能力且低成本的“獵鷹”1號(hào)火箭的第4次發(fā)射，也是繼2006年3月、2007年3月和2008年8月連續(xù)三次發(fā)射失敗后取得的首次成功。

2009年7月15日，該公司用“獵鷹”1號(hào)火箭將一顆馬來西亞衛(wèi)星成功送入預(yù)定軌道，這是世界上首次私人航天發(fā)射，太空探索技術(shù)公司也因此成為首個(gè)成功發(fā)射運(yùn)載火箭的私營企業(yè)。

表1 獵鷹系列運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力和整流罩尺寸

“獵鷹”1號(hào)是兩級(jí)液體運(yùn)載火箭，長約21米，整流罩直徑1.7米，兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)全部使用液氧和煤油作為推進(jìn)劑。其中第一級(jí)采用“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)，通過渦輪泵供給推進(jìn)劑，可重復(fù)使用；第二級(jí)使用“鷹”發(fā)動(dòng)機(jī)，采用擠壓式供給燃料。在第一、二級(jí)分離后，第一級(jí)利用降落傘濺落在太平洋海域，由專門的船只回收。經(jīng)維修后再重復(fù)使用?！矮C鷹”1號(hào)飛行安全系統(tǒng)采用推進(jìn)終止方式，而不是爆炸自毀方式。這在美國運(yùn)載火箭系統(tǒng)中是獨(dú)一無二的，既大幅度減少了對(duì)地面安全的影響，又降低了系統(tǒng)成本。

“獵鷹”1號(hào)火箭能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，其主要原因是火箭發(fā)射前的操作和檢測(cè)非常簡單。首先，有效載荷水平裝配到“獵鷹”1號(hào)火箭上，然后使用“獵鷹”運(yùn)輸車起豎火箭，完成系統(tǒng)測(cè)試、試驗(yàn)和燃料加注等?！矮C鷹”運(yùn)輸車?yán)靡簤合到y(tǒng)把水平支架起豎到垂直位置，從而完成“獵鷹”1火箭的起豎操作。這些不復(fù)雜的操作使火箭發(fā)射價(jià)格更加便宜，反應(yīng)也更快速。為了達(dá)到機(jī)動(dòng)性最優(yōu)化的目的，“獵鷹”1號(hào)火箭的發(fā)射控制中心設(shè)在機(jī)動(dòng)車內(nèi)，無需花費(fèi)資金在發(fā)射場(chǎng)建造控制中心，也無需為租用控制中心支付管理費(fèi)用。

6月4日14時(shí)45分，“獵鷹”9號(hào)發(fā)射升空，9分多鐘后，其攜帶的飛船模型也進(jìn)入軌道

“獵鷹”9號(hào)也是兩級(jí)火箭，長約47米，推進(jìn)劑與“獵鷹”1號(hào)一樣都是液氧和煤油，第一級(jí)采用9臺(tái)灰背隼發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用1臺(tái)灰背隼發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然在公司的商業(yè)計(jì)劃中沒有要求可重復(fù)使用，空間探索技術(shù)公司一直希望回收火箭第一級(jí)，該火箭級(jí)在發(fā)射后濺落太平洋，原計(jì)劃利用下降過程張開的降落傘浮在洋面，但火箭級(jí)在降落解體。

“獵鷹”9雖然屬于大中型運(yùn)載火箭，但其發(fā)射周期一般只需16天，而其他一些發(fā)射系統(tǒng)則是2個(gè)～4個(gè)月。這一發(fā)射周期能夠滿足各種航天發(fā)射任務(wù)，包括商業(yè)的、戰(zhàn)術(shù)的和戰(zhàn)略火箭發(fā)射任務(wù)。這種發(fā)射周期還特別適合星座補(bǔ)網(wǎng)。當(dāng)有效載荷不在發(fā)射場(chǎng)附近，只能在發(fā)射前運(yùn)送到發(fā)射場(chǎng)的情況下，它也是適用的。

2009年6月16日，“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測(cè)試

“獵鷹”1號(hào)燃料箱

“獵鷹”系列火箭采用高科技、高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁鋰合金材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格

奧巴馬總統(tǒng)支持太空探索技術(shù)公司，這是他今年視察獵鷹火箭發(fā)射陣地的情形

“獵鷹9號(hào)”頂部頭錐體整流罩將安裝在多臂支持結(jié)構(gòu)上，在組成復(fù)合外殼時(shí)提供牢固的構(gòu)架

奧巴馬總統(tǒng)支持太空探索技術(shù)公司，最右者為太空探索技術(shù)公司老板埃羅?穆斯克

私企參賽的背后推手

私人宇航公司在美國航天運(yùn)輸業(yè)的崛起得益于美國航天商業(yè)化政策的推動(dòng)。如果沒有美國航宇局和美國國防部高級(jí)計(jì)劃研究局在背后支持，太空探索技術(shù)公司絕對(duì)不可能成事的。太空探索技術(shù)公司顯然無力在測(cè)試場(chǎng)、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控等所有方面全部自主實(shí)現(xiàn)，而波音和洛克希德這種巨頭又不會(huì)主動(dòng)幫忙。

早在2006年1月18日，為解決航天飛機(jī)退役后國際空間站的航天員與貨物運(yùn)輸問題，美國航宇局和美國國防部高級(jí)計(jì)劃研究局（DARPA）共同啟動(dòng)了為期6年、價(jià)值5億美元的“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在支持私人公司發(fā)展航天技術(shù)，并最終為國際空間站提供貨物和航天員補(bǔ)給服務(wù)。當(dāng)時(shí)，包括太空探索技術(shù)公司公司在內(nèi)的20多家企業(yè)參與了競標(biāo)，而太空探索技術(shù)公司公司憑借“獵鷹”9號(hào)火箭和龍式太空艙方案競標(biāo)成功。

“獵鷹”9號(hào)的發(fā)射場(chǎng)非常簡單，是水平總裝和臺(tái)架起豎方案，發(fā)射架結(jié)構(gòu)非常簡單

“龍”船飛向國際空間站示意圖

2008年底，美國航宇局又與該公司簽署了總價(jià)值16億美元的國際空間站補(bǔ)給合同。按照合同，在2016年前，該公司將使用其計(jì)劃中的“獵鷹”9號(hào)火箭和龍式太空艙進(jìn)行12次發(fā)射，為國際空間站運(yùn)送約20噸貨物。

美國航宇局為了支持私人企業(yè)發(fā)展航天事業(yè)，采取了非常慷慨的態(tài)度。為了避免參與COTS項(xiàng)目的私人企業(yè)使用洛克達(dá)因等廠商昂貴的發(fā)動(dòng)機(jī)，美國航宇局開放了阿波羅計(jì)劃的部分技術(shù)，以便太空探索技術(shù)公司能夠按任務(wù)需求和總體設(shè)計(jì)研制合適的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?！矮C鷹”系列的“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了登月艙下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管。而為了使太空探索技術(shù)公司能夠進(jìn)行試車，美國航宇局還允許其使用測(cè)試臺(tái)架。

“龍”船降落傘試驗(yàn)

火箭運(yùn)輸

火箭裝配

美國空軍雖然已經(jīng)有了“德爾它”4運(yùn)載火箭，但對(duì)于太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”系列火箭也非常感興趣?！矮C鷹1”號(hào)在夸賈林環(huán)礁奧莫萊克島上的發(fā)射場(chǎng)，原先就是空軍里根測(cè)試站的一部分。而這次發(fā)射“獵鷹”9號(hào)的SLC-40發(fā)射場(chǎng)，原來是空軍“大力神”3和“大力神”4火箭的發(fā)射場(chǎng)。未來，“獵鷹”9號(hào)還可能在加州的范登堡空軍基地發(fā)射，用于向高傾角軌道發(fā)射軍用載荷。需要指出的是，“獵鷹”9號(hào)的首次發(fā)射搭載的是載人飛船的測(cè)試模型，主要進(jìn)行船箭結(jié)合和在軌測(cè)試，但是SLC-40的設(shè)施目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法承擔(dān)載人航天任務(wù)。

美國一直以來都在謀求擁有快速進(jìn)入空間的能力，希望快速利用空間資源滿足戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。“獵鷹”1號(hào)火箭的成功發(fā)射標(biāo)志著美國快速進(jìn)入空間能力得到了進(jìn)一步提高。在軍用方面，可以在接到命令后及時(shí)部署有效載荷，快速完成星座的組網(wǎng)和補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射，有效支持戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。另一方面，這種快速發(fā)射能力在民用和商用航天領(lǐng)域也具有較大的應(yīng)用潛力。在民用方面，可以為國際空間站之類的在軌飛行器提供救援或快速補(bǔ)給等急需服務(wù)。商業(yè)方面，可以進(jìn)行航天器的快速維護(hù)與升級(jí)并使之迅速投入使用產(chǎn)生效益。

“獵鷹”系列火箭的成功，無疑會(huì)導(dǎo)致更多的私營企業(yè)加入到運(yùn)載火箭的研制和航天發(fā)射事業(yè)中來，這必將會(huì)為美國航天工業(yè)的發(fā)展帶來更多的活力。

宇宙探索技術(shù)公司火箭制造車間

SpaceX崛起的象征意義

位于美國硅谷的宇宙探索技術(shù)公司(SpaceX)正在一座巨型機(jī)棚內(nèi)建造他們的新型“獵鷹”9號(hào)。目前，第二枚“獵鷹”9號(hào)火箭組裝已經(jīng)接近完成，將于夏末起飛。此次任務(wù)預(yù)計(jì)攜帶真正的“龍”太空艙，以驗(yàn)證飛船分離、軌道機(jī)動(dòng)和再入。如果“獵鷹”9號(hào)再成功完成兩次預(yù)定發(fā)射，那么它將在2011年同國際空間站對(duì)接。

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，航天發(fā)射技術(shù)已逐漸成熟，技術(shù)門檻和資金門檻日益降低。同時(shí)，全球發(fā)射市場(chǎng)對(duì)高可靠性、低成本商業(yè)運(yùn)載工具的需求愈加強(qiáng)烈，從而吸引了越來越多的私人企業(yè)進(jìn)入航天發(fā)射市場(chǎng)。私人企業(yè)不僅是世界航天發(fā)射市場(chǎng)的一個(gè)有益補(bǔ)充，同時(shí)也增加了它的活力與動(dòng)力。

今年年底之前，美國現(xiàn)存的三架航天飛機(jī)要全部退役，其中“阿特蘭蒂斯”號(hào)已經(jīng)率先完成了最后一次飛行，“發(fā)現(xiàn)”號(hào)和“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)將于今年9月、11月分別進(jìn)行最后一次飛行。這意味著，美國將再次陷入沒有現(xiàn)役載人航天器的狀況，在私營企業(yè)的載人航天技術(shù)成熟前，美國航天員或許只能搭乘俄羅斯“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船前往空間站。

根據(jù)美國總統(tǒng)奧巴馬公布的新太空探索計(jì)劃，將在未來5年內(nèi)為美國航宇局新投入60億美元，用于鼓勵(lì)使用商業(yè)火箭，并至少將國際空間站的壽命延長至2020年，使航宇局的重點(diǎn)從重返月球中轉(zhuǎn)移出來。“獵鷹”9號(hào)運(yùn)載火箭首次發(fā)射成功成為了這一計(jì)劃的里程碑成果，也是一個(gè)值得載入世界航天歷史的日子。

“獵鷹”9號(hào)運(yùn)載火箭的成功還要?dú)w功于太空探索技術(shù)公司老板埃羅·穆斯克（Elon Musk）。埃羅·穆斯克是網(wǎng)上交易第三方支付工具“貝寶”（PayPal）的創(chuàng)始人。2002年埃羅·穆斯克將“貝寶”賣給eBay后，將獲得的資金投入了太空探索技術(shù)公司公司的創(chuàng)建和運(yùn)載火箭的研制。這是他的第3家私人公司，他親任該公司的首席執(zhí)行官和技術(shù)總監(jiān)。穆斯克希望太空探索技術(shù)公司能消除官僚機(jī)構(gòu)的繁瑣程序，提高工作效率，通過不斷創(chuàng)新以及內(nèi)部生產(chǎn)和測(cè)試，將火箭發(fā)射的成本降至一般商用火箭的十分之一。

宇宙探索技術(shù)公司的辦公室

2009年10月22日，美國總統(tǒng)奧巴馬指派的奧古斯丁研究小組提交了載人航天飛行方案評(píng)審最終報(bào)告——《尋求適合偉大國家的載人航天飛行計(jì)劃》，報(bào)告認(rèn)為美國航宇局的航天飛機(jī)替換計(jì)劃耗資過多、耗時(shí)太長，難以形成切實(shí)可行的方案。研究小組成員更傾向于利用商業(yè)發(fā)射系統(tǒng)將航天員送入近地軌道，這樣才可能節(jié)省大量資金。

除了埃羅·穆斯克的慷慨解囊和政府政策這一幕后推手，風(fēng)險(xiǎn)投資是另一個(gè)資金來源。政府雖然按合同向太空探索技術(shù)公司提供資助，但撥款與波音和洛克希德這種巨頭絕對(duì)不可同日而語，這是媒體將太空探索技術(shù)公司稱為私人企業(yè)的原因之一。另外，在國外上市企業(yè)被稱為“公眾公司”（Public Company），與此對(duì)應(yīng)的非上市企業(yè)則被稱為“私人公司”（Private Company）。

美國政府推動(dòng)SpaceX這樣的企業(yè)冒尖，很有可能將改變未來全球航天事業(yè)的格局，特別是其商業(yè)模式一改過去舉國體制下“集中力量辦大事”，也不同于少數(shù)幾家巨頭壟斷整個(gè)市場(chǎng)分享政府大訂單的傳統(tǒng)模式，其長遠(yuǎn)影響可能是顛覆性。