為實現(xiàn)廉價航天SpaceX豁出去了

賀濤

將14層樓高的一級火箭引導(dǎo)到足球場大小的一艘駁船上，就像“在狂風(fēng)中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上”。盡管如此，為實現(xiàn)廉價往返太空的目標(biāo)，航天公司還是在一次又一次試驗可行性

“獵鷹9號”火箭發(fā)射現(xiàn)場

2016年，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）計劃成功回收一級火箭，并將首次把回收的火箭再次發(fā)射。3月9日，SpaceX總裁格溫·肖特維爾（Gwynne Shotwell）在美國馬里蘭州舉行的“衛(wèi)星2016”會議上作上述表示。

可在此前五天，SpaceX公司剛剛在一次一級火箭的海上回收中遭遇敗績。當(dāng)“獵鷹9號”火箭成功將SES9通信衛(wèi)星送入太空的同時，一級火箭分離后執(zhí)行海上回收的命令，但最終沒有準(zhǔn)確降落在駁船中心，箭體在甲板上硬著陸，回收任務(wù)失敗。

這是自2015年1月，SpaceX第一次真正開始火箭回收試驗以來，第四次海上回收失敗。

SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）隨后在其推特上表示，“并沒期待這次能夠成功，不過下次著陸應(yīng)該是個很好的機會。”根據(jù)SpaceX公布的數(shù)據(jù)，今年還有16次發(fā)射任務(wù)。

對于火箭重復(fù)使用的探索，SpaceX屢敗屢戰(zhàn)。這跟馬斯克的創(chuàng)新激情分不開，這個全球科技圈中最特立獨行的人物，一直以來的態(tài)度就是要做那些能夠改造世界的項目，他執(zhí)掌的電動汽車生產(chǎn)商特斯拉，被認(rèn)為代表著汽車業(yè)發(fā)展的光明未來;SpaceX則已在商業(yè)航天領(lǐng)域具有很強競爭力，美國航空航天局（NASA）已經(jīng)批準(zhǔn)SpaceX可以執(zhí)行絕大多數(shù)航天任務(wù)。

更深層的原因在于，火箭重復(fù)使用技術(shù)是開啟廉價太空探索時代的一把鑰匙。先得者將改寫商業(yè)航天市場的版圖。但這條技術(shù)開創(chuàng)之路，必然密布荊棘，充滿不確定性。

太空探索太貴了

航天發(fā)射可以說是世界上最昂貴的人類活動。長久以來，太空探索的成本居高不下?！秶H太空雜志》執(zhí)行主編龐之浩稱，發(fā)送1公斤的物質(zhì)上天，需要花費的成本約為1萬-2萬美元，這大大影響了人類開發(fā)太空的規(guī)模和效益。

盡管SpaceX以發(fā)射價格低廉而聞名，其主力“獵鷹9號”火箭的單次發(fā)射費用也在5000萬美元以上。SpaceX之所以要攻克火箭回收難關(guān)，主要目的是進(jìn)一步降低航天發(fā)射成本。

目前，運載火箭都是一次性使用的。這正是發(fā)射費用昂貴的根本原因，像火箭的箭體、發(fā)動機、導(dǎo)航制導(dǎo)控制等設(shè)備，是成本的絕對大頭，發(fā)射燃料費用則僅僅是一個零頭。如果火箭可重復(fù)使用，顯然可以大幅度降低發(fā)射成本。

具體到“獵鷹9號”火箭，馬斯克曾表示，通過重復(fù)使用，理論上可以將成本降低為現(xiàn)在的1%。他更放出豪言，如果火箭發(fā)射報價不能降低為現(xiàn)在的1/20，他的努力就算失敗了。

可重復(fù)使用運載工具并非馬斯克首創(chuàng)。幾十年來，各國航天機構(gòu)在該領(lǐng)域投入巨資研發(fā)，主攻三種回收方案，降落傘式垂直下降、動力反推垂直降落以及給火箭安裝“翅膀”的方式。

降落傘垂直下降方案，是在火箭返回地球大氣層后，在低空采用降落傘減速，最后打開氣囊或用緩沖發(fā)動機著陸。這一方案已廣泛應(yīng)用于載人航天回收飛船返回艙和返回式衛(wèi)星，但還沒有重復(fù)使用案例。

中國運載火箭技術(shù)研究院在2015年11月下旬，成功完成了運載火箭子級回收群傘空投試驗。一位接近中國運載火箭技術(shù)研究院的航天專家告訴《財經(jīng)》記者，“目前只是技術(shù)驗證試驗，整體上行不行還不知道。”

SpaceX采取了動力反推垂直下降方案，一級火箭返回后，在低空采用發(fā)動機反推減速，以垂直下降方式降落地面。

第三種方案是滑翔飛行水平降落方案，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭像飛機一樣水平降落返回地面。航天飛機正是這一方案的產(chǎn)物。20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家、工程師，乃至媒體和公眾都曾指望航天飛機通過重復(fù)使用，開啟廉價遨游太空的時代。美國曾發(fā)射過135架次航天飛機，成功回收133架次，前蘇聯(lián)也回收過1次。

按照NASA的設(shè)想，通過航天飛機軌道器和固體助推器的重復(fù)使用，可以將航天飛機的單次發(fā)射費用降至3000萬美元，這只有現(xiàn)在“獵鷹9號”火箭發(fā)射報價的一半。但在投入使用后，人們尷尬地發(fā)現(xiàn)，航天飛機兩個固體助推器采用了降落傘減速、海上濺落、打撈回收的方式，這是一個復(fù)雜又高成本的過程，而每次飛行回來后要耗費巨資維修才能重新上天，這樣每次發(fā)射費用高達(dá)4億美元以上，這比一次性的運載火箭還要貴，加上“挑戰(zhàn)者號”事故，航天飛機不得不在2011年宣布退役。

中國航天科工集團第二研究院研究員楊宇光曾撰文分析，航天飛機的錯誤在于將載人與運貨合二為一。

載人，對航天飛機的可靠性要求更嚴(yán)苛，但貨運功能運載工具則沒必要如此嚴(yán)苛，制造成本會低很多。重達(dá)100噸的航天飛機，貨運能力只有29噸，一方面是由于承載航天員本身所付出的代價，另一方面是載人航天器對可靠性和冗余度的高要求造成的。

楊宇光認(rèn)為，SpaceX采取主動減速、垂直降落的方式就是為了規(guī)避航天飛機助推器回收過程所帶來的復(fù)雜性和高成本。如果“獵鷹9號”實現(xiàn)了可重復(fù)使用，完全可以在載人或裝運高價值物品時，使用新制造的火箭;而普通貨運發(fā)射時，使用回收后再利用的箭體。

歐洲航天界普遍認(rèn)為，“獵鷹9號”火箭實現(xiàn)干凈利落地著陸回收后，要保持高密度發(fā)射，對用過的火箭級進(jìn)行整修才是最難的。

事實證明，“獵鷹9號”重復(fù)使用的維修成本也許不算高。在那次成功回收后，這枚從太空返回的火箭只有極小的磨損。在檢查完三天后，SpaceX沒有對回收火箭進(jìn)行全面整修，就把它重新放在測試臺上，點火成功。

目前，很難精確確定回收火箭會降低多少發(fā)射費用，肖特維爾估計數(shù)值是，一級火箭燃料費用不到100萬美元，而一級火箭回收后整修開支約300萬美元，這樣一來，可將回收后再發(fā)射的總成本降低約30%，大概在4000萬美元。而且多次復(fù)用還能更便宜。

整體看，盡管挫折不斷，采用可重復(fù)使用終是降低成本的必經(jīng)之路，至于哪種航天發(fā)射技術(shù)途徑更合理，尚不能定論，都在測試中。

回收技術(shù)關(guān)口

“在狂風(fēng)中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上”。這是對“獵鷹9號”回收過程的形象比喻。

“獵鷹9號”火箭的回收方式設(shè)計為海上平臺和陸上兩種，這避免了海水對發(fā)動機和箭體的侵蝕，回收后的維護相對簡單，這個選擇有利于成本控制。

當(dāng)“獵鷹9號”的一、二級火箭分離后，一級火箭返回地球的過程中，通常需要發(fā)動機進(jìn)行二次點火制動，讓一級火箭減速并調(diào)整姿態(tài)。當(dāng)火箭再入大氣層、速度降至每秒大約250米時，箭體上張開四個液壓驅(qū)動的柵格翼，增強穩(wěn)定性，當(dāng)箭體下墜接近著陸時，發(fā)動機第三次點火制動，這時四條長達(dá)21米的碳素纖維及蜂窩鋁合金著陸腿展開。整個過程通過GPS衛(wèi)星制導(dǎo)來協(xié)助控制火箭朝著陸地點降落，最終著地精度在10米以內(nèi)。

“回收火箭的技術(shù)太復(fù)雜了?！饼嬛聘嬖V《財經(jīng)》記者，這要求火箭精確降落在回收平臺時，還要保持垂直姿態(tài)。此外，要讓火箭實現(xiàn)軟著陸，其緩沖發(fā)動機的推力要實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

至少在一開始，SpaceX沒有選擇這條技術(shù)路線。SpaceX最早試圖使用降落傘海上回收箭體，打撈后運回重復(fù)使用。遺憾的是，前兩次發(fā)射中，這種著陸方式都以失敗告終，火箭第一級再入大氣層后便失去聯(lián)系。分析認(rèn)為，無控再入大氣層的設(shè)計不可行，火箭第一級還未減速降低到降落傘開傘的速度和高度，就已經(jīng)被撕碎解體了。SpaceX后來決定，為“獵鷹9號”火箭第一級增加冷氣噴射的姿態(tài)控制系統(tǒng)維持再入姿態(tài)，在海上回收時，將14層樓高的一級火箭引導(dǎo)到足球場大小的一艘駁船上，受控垂直降落。

走這條技術(shù)路徑，首先要控制火箭姿態(tài)和落點精度技術(shù)?；鸺诜祷剡^程中，需要對其姿態(tài)不斷進(jìn)行控制，像火箭這樣細(xì)高的形狀，控制其姿態(tài)非常困難，要使細(xì)長的箭體垂直精確著陸在指定地點就更難了。

其次，在一級火箭返回的不同高度，火箭質(zhì)量會隨著燃料的快速消耗而明顯減小，因此，反推發(fā)動機需要采用不同大小的推力，以實現(xiàn)軟著陸。著陸支架技術(shù)也是關(guān)鍵，在火箭回收過程中，必須使用著陸支架來減緩著陸時的沖擊過載，使火箭穩(wěn)定著陸。

從四次失敗的海上回收試驗看，上述技術(shù)似乎還不成熟。然而，當(dāng)著陸場轉(zhuǎn)換到陸地上，奇跡發(fā)生了。2015年12月21日，“獵鷹9號”在成功發(fā)射Orbcomm電信公司的11顆通信衛(wèi)星后，一級火箭成功實現(xiàn)陸上回收。這是人類歷史上首次在載荷發(fā)射到太空之后，火箭成功軟著陸返回地球。

SpaceX的競爭對手——美國藍(lán)色起源（Blue Origin），是另一家盯著廉價航天發(fā)射商機的私營太空公司，它的新謝潑德飛行器（New Shepard）也實現(xiàn)了火箭從太空返回的軟著陸，時間是2015年11月23日，比SpaceX那次成功的陸上回收還早了近一個月。藍(lán)色起源的老板，也就是亞馬遜公司創(chuàng)始人杰夫·貝索斯（Jeff Bezos）看中的是另一個市場，新謝潑德飛行器將首先服務(wù)于亞軌道太空旅游，最終實現(xiàn)廉價往返太空的目標(biāo)。

不過，與“獵鷹9號”相比，新謝潑德飛行器只能進(jìn)行亞軌道飛行，沒有能力將航天器發(fā)射入軌;其最高飛行速度僅有3.72馬赫，而“獵鷹9號”的第一級分離速度為6馬赫-7馬赫。所以在技術(shù)實現(xiàn)難度上，藍(lán)色起源的火箭回收低于SpaceX。

龐之浩分析，陸地回收場面積大，回收精度要求降低，而且陸地穩(wěn)定不晃動，氣象條件更好，能明顯降低回收難度。

為何執(zhí)著于海上回收？

值得注意的是，新謝潑德有兩次成功回收火箭，加上SpaceX的一例，三例都是在陸地上實現(xiàn)的。既然陸上回收有多個成功的先例，SpaceX為何還在2016年1月和3月的兩次發(fā)射中，依然堅持采用技術(shù)難度更大的海上回收呢？

SpaceX是迫于無奈。由于發(fā)射場的地理位置在美國東部海岸，大部分運載火箭都需要從東部海岸向東發(fā)射，運載火箭各子級在完成使命并分離后，由于慣性會繼續(xù)向前向上運動，最終會落到距離發(fā)射點很遠(yuǎn)的大西洋某處。因此，最節(jié)省推進(jìn)劑的回收方式就是將回收平臺搭建在火箭子級的自然落點附近。

在陸上回收中，一級火箭的飛行軌跡截然不同。“獵鷹9號”那次成功回收中，火箭是從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角的40號發(fā)射場升空，當(dāng)一級火箭與二級火箭分離后，進(jìn)行了一系列翻轉(zhuǎn)和機動，最后返回了佛羅里達(dá)海岸的航天中心，與發(fā)射臺相距不到10公里。

顯然，由于陸上回收的路徑太長了，一級火箭的陸上回收，需要耗費大量燃料，從而增加成本。只有當(dāng)運載火箭所承載的載荷比其最大運載能力小很多時，一級火箭中剩余的推進(jìn)劑又足夠多，才可以在一級火箭分離后使用較多的推進(jìn)劑改變其速度和方向，從而能夠返回發(fā)射場附近，采用陸地回收。

陸上回收要考慮更多的地面因素，尤其是著陸失敗可能給著陸區(qū)域造成的損害。因此，陸上回收需要事先取得美國聯(lián)邦航空管理局和美國空軍的批準(zhǔn)。

SpaceX副總裁萊·羅森（Lee Rosen）曾經(jīng)提出，在美國得克薩斯州建立發(fā)射場的想法，這樣就可以在佛羅里達(dá)州陸地上回收火箭。然而，這一方案面臨著不利因素。佛羅里達(dá)州由于人口稠密，且南北方向長度有限，不是理想的降落地點，不能滿足發(fā)射場對多射向的基本要求，而只能滿足特定的發(fā)射任務(wù);對于一些高傾角的發(fā)射任務(wù)，一級火箭的自然落地點就會超出佛羅里達(dá)范圍，又要掉到海里去了。

楊宇光認(rèn)為，如果SpaceX能在澳大利亞西海岸建立商業(yè)航天發(fā)射場，一級火箭的回收地點就可以選在地廣人稀，且較為平坦的澳大利亞內(nèi)陸，這也可以在很大范圍內(nèi)滿足不同軌道類型對發(fā)射方向的要求。

對此，SpaceX有顧慮。國際宇航聯(lián)空間運輸委員會的一位秘書告訴《財經(jīng)》記者，SpaceX不想在澳大利亞選址，可能是顧慮管理方面的問題，畢竟得克薩斯位于母國，出現(xiàn)問題便于及時解決。

從長遠(yuǎn)考慮，澳大利亞是個合適的發(fā)射場所，也許隨著廉價太空探索技術(shù)的成熟，各國之間通過國際合作來達(dá)成此事。2016年，SpaceX是否能夠順利完成前述目標(biāo)，還需拭目以待。