低成本、高可靠、可重復(fù)使用——Space X公司產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)分析

□ 袁宇

編者按：2014年4月18日Space X公司的“獵鷹”9號(hào)V1.1型火箭執(zhí)行國(guó)際空間站貨運(yùn)發(fā)射任務(wù)時(shí)，第一級(jí)箭體成功實(shí)現(xiàn)了受控再入和軟落水。一周后，在一次新聞發(fā)布會(huì)上，Space X 首席執(zhí)行官艾倫·馬斯克又宣布，該公司正向美國(guó)聯(lián)邦索賠法院提起訴訟，對(duì)美國(guó)空軍就未來(lái)幾年內(nèi)的36次太空發(fā)射項(xiàng)目簽訂的一份批量采購(gòu)合同提出異議。Space X公司雖然與波音、洛克希德·馬丁等大型航天企業(yè)相比還是個(gè)小公司，但近年來(lái)名聲鵲起，獵鷹系列運(yùn)載火箭及“龍”飛船都已投入使用，并以其低廉的成本吸引了公眾的眼球。那么，Space X公司的火箭到底有什么獨(dú)門(mén)秘籍，可以大幅度降低成本呢？本刊特別邀請(qǐng)北京航天動(dòng)力研究所的技術(shù)人員袁宇撰寫(xiě)了系列文章，嘗試剖析該公司的火箭、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛船的技術(shù)特點(diǎn)，以解開(kāi)獵鷹系列火箭低成本之謎。

Space X公司目前研制的獵鷹（Falcon）系列運(yùn)載火箭有“獵鷹”1、“獵鷹”9、“獵鷹”9V1.1、“獵鷹”9 重型四個(gè)型號(hào)。這些火箭是按照模塊化、通用化、組合化、批量化的原則設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)的?；鸺谠O(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)高可靠、低成本、容易操作。“獵鷹”1是一枚小型運(yùn)載火箭，曾經(jīng)進(jìn)行了5次發(fā)射，現(xiàn)已經(jīng)停止生產(chǎn)?！矮C鷹”9是中型運(yùn)載火箭，已經(jīng)成功發(fā)射了5次，把第一個(gè)私營(yíng)公司制造的貨運(yùn)飛船送進(jìn)了太空并成功回收，目前已經(jīng)被升級(jí)版“獵鷹”9V1.1所取代。

“獵鷹”9V1.1火箭是為了滿足可重復(fù)使用要求，增加了一級(jí)貯箱的長(zhǎng)度，容積增加30%，以容額外的返回減速所需的推進(jìn)劑，起飛推力增加了56%，起飛重量增加了52%到506噸，近地軌道運(yùn)載能力增加26%到13.15噸。單從外表看的話，“獵鷹”9像一支簽字筆，而“獵鷹”9V1.1更像一支細(xì)長(zhǎng)的鉛筆?！矮C鷹”9重型火箭是在“獵鷹”9V1.1的基礎(chǔ)上，兩邊各捆綁一個(gè)V1.1的芯級(jí)組成的。

“獵鷹”9和“獵鷹”9V1.1、“獵鷹”9重型的對(duì)比

Space X網(wǎng)頁(yè)上公布的“獵鷹”9V1.1和“獵鷹”9重型運(yùn)載火箭的發(fā)射價(jià)格

Space X最引以為傲的是獵鷹系列火箭的低成本，下圖是Space X公司網(wǎng)站上公布的發(fā)射價(jià)格?！矮C鷹”9V1.1每次發(fā)射價(jià)格為5650萬(wàn)美元，“獵鷹”9重型每次可以將53噸載荷送入軌道，每次發(fā)射價(jià)格僅在7710萬(wàn)～1.35億美元之間。相比之下，航天飛機(jī)每次發(fā)射費(fèi)用高達(dá)4.5～5億美元；聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的德?tīng)査蘒V重型運(yùn)載火箭，每次發(fā)射費(fèi)用為4億美元；歐洲阿里安5火箭每次發(fā)射價(jià)格2～3億美元。

Space X公司是一家有著鮮明的技術(shù)特色和強(qiáng)烈進(jìn)取心的企業(yè)，在新理念、新技術(shù)的應(yīng)用上，甚至走在了美國(guó)航宇局（NASA）的前面。交叉輸送、動(dòng)力冗余、垂直起降重復(fù)使用、下一代大推力發(fā)動(dòng)機(jī)等等先進(jìn)的技術(shù)，都敢于第一個(gè)去應(yīng)用。相比之下，NASA提出的“太空發(fā)射系統(tǒng)”，主發(fā)動(dòng)機(jī)、助推器、貯箱等關(guān)鍵系統(tǒng)，都是在原航天飛機(jī)的相應(yīng)系統(tǒng)上小改而來(lái)，技術(shù)上裹足不前，而且動(dòng)輒需要幾十億的投入。兩相對(duì)比，不禁令人感嘆NASA廉頗老矣！Space X等私營(yíng)航天公司，是美國(guó)航天工業(yè)的希望所在，是逃離臃腫的舊機(jī)制，在新的模式下的重生。

Space X公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，強(qiáng)烈地體現(xiàn)了其領(lǐng)導(dǎo)者艾倫·馬斯克個(gè)人夢(mèng)想：低成本、高可靠、可重復(fù)使用。所有的技術(shù)路線，都是圍繞這些夢(mèng)想而確定的。夢(mèng)想引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展，這是Space X公司最大的特點(diǎn)。另一方面，Space X是一個(gè)僅有4000人不到的公司，領(lǐng)導(dǎo)者的夢(mèng)想和路線，可以得到深入貫徹，底層技術(shù)人員明白領(lǐng)導(dǎo)層的目標(biāo)是什么、想要什么，這一點(diǎn)是那些大公司大機(jī)構(gòu)所不具備的。

作為一家自負(fù)盈虧的私營(yíng)航天公司，在其產(chǎn)品的可靠性未獲得市場(chǎng)的廣泛認(rèn)同前，低成本是其唯一的賣(mài)點(diǎn)。而目前的航天發(fā)射，其基本特點(diǎn)是：載荷的價(jià)值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)火箭的價(jià)值。一顆通信衛(wèi)星的價(jià)格動(dòng)輒幾億美元，一顆大型探測(cè)器十億美元輕松平常，更遑論載人火箭涉及的是人的生命。在這種情況下，只有高可靠的火箭才能得到市場(chǎng)的青睞，離開(kāi)了高可靠性支撐的低成本是沒(méi)辦法在市場(chǎng)中存活下去的。Space X公司，能不能實(shí)現(xiàn)低成本和高可靠性兼得呢？從技術(shù)特點(diǎn)來(lái)分析，“獵鷹”系列火箭和龍飛船擁有低成本、高可靠性的客觀技術(shù)基礎(chǔ)，通用化、批量化讓其擁有了制造質(zhì)量基礎(chǔ)。而批量生產(chǎn)的前提，是其發(fā)射累計(jì)成功數(shù)據(jù)得到市場(chǎng)的充分認(rèn)可，因此對(duì)于Space X公司來(lái)說(shuō)，保證當(dāng)前每一次發(fā)射的成功是最重要的事。從歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，火箭發(fā)射成功，技術(shù)和制造是基礎(chǔ)，人的因素才是決定性的。如何避免因?yàn)槿说囊蛩卦斐墒?，避免因多次成功帶?lái)的麻痹大意，這些對(duì)于Space X來(lái)說(shuō)，將是全新的挑戰(zhàn)。