“二手火箭”起飛：一次普通而又不普通的發(fā)射

□ 田豐

“二手火箭”起飛：一次普通而又不普通的發(fā)射

□ 田豐

這是一次“普通”的發(fā)射，由太空探索公司的“獵鷹”9運(yùn)載火箭為盧森堡SES公司發(fā)射一顆重5.28噸的SES-10通信衛(wèi)星，衛(wèi)星具有50個(gè)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器，沒有任何看起來值得一書的地方。但這又是一次極不普通的發(fā)射，一次有可能改變?nèi)祟惡教旃I(yè)未來發(fā)展方向的發(fā)射，因?yàn)檫@次發(fā)射中的“獵鷹”9火箭一級(jí)是一枚已經(jīng)發(fā)射過的“二手火箭”。這枚史無前例的“二手火箭”不僅又一次圓滿完成了自己的發(fā)射任務(wù)，而且又一次準(zhǔn)確飛回了距發(fā)射臺(tái)300千米外的海上回收平臺(tái)。

復(fù)用一枚可進(jìn)行入軌發(fā)射的液體運(yùn)載火箭，堪稱人類航天史前所未有的一次嘗試，因?yàn)閹缀跛械囊后w運(yùn)載火箭都是一次性的。無論是將人類送上月球的“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭還是蘇聯(lián)的“能源”運(yùn)載火箭，這些龐然大物一旦在發(fā)射完成后都會(huì)變成一堆廢鐵從天而降，再也不能使用。相對(duì)于日常生活中汽車和飛機(jī)等可重復(fù)使用的交通工具而言，多級(jí)運(yùn)載火箭的一次性使用可謂相當(dāng)另類，這直接導(dǎo)致了人類進(jìn)入太空成本居高不下，而像科幻電影中所描述的航班化往返于天地間更近乎是癡人說夢(mèng)。

于是很多航天人設(shè)想火箭在發(fā)射后能利用富余燃料受控回收，并且重復(fù)使用，這樣會(huì)不會(huì)大幅度降低航天發(fā)射成本，甚至使人類有能力殖民外星球呢？有想法的人很多，但是實(shí)踐的人很少，成功的人更是鮮有。

①SES-10衛(wèi)星在廠房

②回收并翻修中的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)

③調(diào)試中的回收機(jī)器人

④回收機(jī)器人CG圖

“二次使用”成現(xiàn)實(shí)

眾所周知，太空探索公司在2015年12月22日首次完成了“獵鷹”9火箭一級(jí)的陸地回收。4個(gè)月后，2016年4月8日，在執(zhí)行第八次國際空間站貨物補(bǔ)給發(fā)射時(shí)，火箭一級(jí)通過液壓推桿驅(qū)動(dòng)的冷分離機(jī)構(gòu)與火箭二級(jí)順利分離，沿著預(yù)先規(guī)劃的回收彈道飛回海面，經(jīng)過三次不同作用的反推后穩(wěn)穩(wěn)著陸在大西洋上的浮動(dòng)回收平臺(tái)。雖然首次海上回收難度更高，但這種模式相對(duì)陸地回收所浪費(fèi)的運(yùn)力更少，所以前景光明。

在回收完成后，公司便急于為這枚官方編號(hào)為021的火箭一級(jí)“撮合二婚”，可惜客戶們出于風(fēng)險(xiǎn)和太空探索并不良好的安全記錄，鮮有用戶買賬。直到SES公司提出愿意以五折報(bào)價(jià)吃這個(gè)“螃蟹”，于是這枚回收火箭的再次發(fā)射便被提上日程。公司原定于2016年10月將其重新發(fā)射升空，但是天有不測(cè)風(fēng)云，同年9月1日阿莫斯-6衛(wèi)星任務(wù)靜態(tài)點(diǎn)火過程中另一枚新火箭突如其來的驚天一炸，徹底把這個(gè)火箭復(fù)用的“美夢(mèng)”擊得粉碎。公司一夜之間再次跌下神壇，各路負(fù)面消息一時(shí)間充斥媒體。

歷經(jīng)4個(gè)多月的事故調(diào)查后，公司于2017年1月14日利用一箭十星的二代銥星任務(wù)恢復(fù)了“獵鷹”9發(fā)射。而這枚021一級(jí)在回收后，經(jīng)過長達(dá)一年的漫長的解體、翻修、檢查和測(cè)試后，終于迎來了“重裝上陣”的機(jī)會(huì)！值得一提的是，作為液體運(yùn)載火箭的核心，這枚二手火箭一級(jí)的9臺(tái)“梅林-1D”液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)均翻修自執(zhí)行2016年4月發(fā)射任務(wù)的那9臺(tái)，是真正的“二次使用”。

火箭著船瞬間

初心不改的復(fù)用之路

太空探索公司創(chuàng)始人馬斯克在2013年接受訪談時(shí)，首次公布了垂直起飛、垂直降落思路的回收和復(fù)用方案（當(dāng)時(shí)該方案甚至包括火箭二級(jí)回收）。意圖創(chuàng)造一款能夠重復(fù)使用的火箭，在完成任務(wù)后能夠安全返回，僅經(jīng)過快速翻修即可執(zhí)行下一次發(fā)射。這個(gè)想法看似美好，但是在冒出這個(gè)想法的時(shí)候正好是人類第一款可復(fù)用航天器——航天飛機(jī)退役后不久，也是可復(fù)用航天器最絕望的一個(gè)時(shí)代，任何可復(fù)用太空運(yùn)載系統(tǒng)都有可能被懷疑為一條“邪路”。由此看來，公司對(duì)于可復(fù)用運(yùn)載火箭的追求近乎于“執(zhí)念”，但正是這份“執(zhí)拗”才成就了今天的成功。

在此次復(fù)用發(fā)射之后，我們必將見到更多的用戶訂購“二手”的，或者說“發(fā)射驗(yàn)證”過的火箭。尤其是本次發(fā)射的“配角”SES公司已經(jīng)明確表態(tài)將繼續(xù)訂購復(fù)用火箭發(fā)射來節(jié)約成本?；蛟S未來二手火箭發(fā)射會(huì)像現(xiàn)在的一次性火箭發(fā)射一樣稀松平常。但可回收運(yùn)載火箭從誕生到最終實(shí)用并不是一蹴而就的，個(gè)人認(rèn)為可以分為三個(gè)階段：

首先需要證明以“垂直起飛，垂直降落”方式回收火箭是可行的；然后是證明回收火箭的再次發(fā)射從技術(shù)上是可行的；最后是證明復(fù)用火箭能夠從根本上降低航天發(fā)射的費(fèi)用，這將是最難、最關(guān)鍵也最漫長的一個(gè)步驟。

如果說2015年末的陸上回收證明了回收的可行性，那么這次發(fā)射就是第二階段完成的最佳證明。當(dāng)然最困難的就是第三步，航天飛機(jī)就是倒在了第三步上，雖然實(shí)現(xiàn)了復(fù)用，但成本不降反升，再加上兩次重大事故的打擊，最終只能黯然落幕。因此第三步可能需要五年、十年甚至更久。然而，我們可以看到，太空探索公司依舊在不斷改進(jìn)和完善自己的可回收火箭，并預(yù)計(jì)于年內(nèi)推出全新的“獵鷹”9 Block5改型。由于航天飛機(jī)的前車之鑒，在這條路上太空探索公司如此孤獨(dú)，傳統(tǒng)的發(fā)射承包商無一跟隨，只有杰夫·貝索斯旗下藍(lán)色起源公司的亞軌道火箭“新謝潑德”和尚處在紙面階段的“新格倫”火箭采用了類似思路。

目前太空探索公司的“獵鷹”9火箭6200萬美元的公開發(fā)射報(bào)價(jià)已經(jīng)相當(dāng)?shù)土?，只有印度和中國可以在?bào)價(jià)上與之匹敵。如果未來復(fù)用火箭逐漸成熟，報(bào)價(jià)還將進(jìn)一步下降。太空探索公司官方表示盡管此次復(fù)用發(fā)射的一級(jí)火箭經(jīng)過了長達(dá)一年的翻修，但仍然比新造一級(jí)節(jié)省近50%費(fèi)用。公司近期將會(huì)為復(fù)用發(fā)射客戶提供0%～30%的折扣，遠(yuǎn)期有可能低至0%～60%。屆時(shí)在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上，太空探索公司將有可能成為價(jià)格屠夫，倒逼同行業(yè)公司進(jìn)行類似的創(chuàng)新。而仍然從事一次性火箭發(fā)射的同行雖然依然能夠生存，但是日子絕對(duì)沒有現(xiàn)在那么好過。

人工固定火箭

機(jī)庫中的SES-10芯級(jí)

折扣、保險(xiǎn)和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手

復(fù)用火箭不僅對(duì)于航天界是一個(gè)新生事物，對(duì)衛(wèi)星保險(xiǎn)行業(yè)而言也是全新的課題。通常商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營商所投的保險(xiǎn)包括在軌運(yùn)行的第一年。在這之后，低成本政策將覆蓋在軌正常工作的每一年。得益于衛(wèi)星保險(xiǎn)行業(yè)的歷史性疲軟，導(dǎo)致保險(xiǎn)業(yè)長期處于買方市場(chǎng)階段，太空探索公司雖然仍屬于“業(yè)界新貴”，但發(fā)射的衛(wèi)星保險(xiǎn)費(fèi)率卻并不高，加之只要不發(fā)生重大發(fā)射事故，公司未來每年有望執(zhí)行12次以上的火箭發(fā)射，這個(gè)發(fā)射頻率在保險(xiǎn)業(yè)絕對(duì)是炙手可熱的“大客戶”。因此2015年末才完成最新大改并首飛的“獵鷹”9全推力型火箭的保險(xiǎn)費(fèi)率已經(jīng)和17年沒做過大幅設(shè)計(jì)變更且安全記錄優(yōu)異的“阿里安”5型火箭基本一致，均不高于6%。

一直以來，太空探索公司都是航天企業(yè)中的“異類”，公司承襲了硅谷IT軟件行業(yè)“小幅改進(jìn)，快速迭代”的設(shè)計(jì)思路，公司主力的“獵鷹”9火箭一直都處在不斷的改進(jìn)當(dāng)中。曾有保險(xiǎn)公司表示愿意為“獵鷹”9火箭承保，但卻抱怨每次任務(wù)中太空探索公司都會(huì)對(duì)火箭進(jìn)行各種設(shè)計(jì)變更，使保險(xiǎn)公司難以評(píng)估這些變更將對(duì)發(fā)射安全造成哪些影響。

由于復(fù)用火箭潛在提升了任務(wù)失敗的概率，復(fù)用發(fā)射的保費(fèi)費(fèi)率如何確定，是太空探索公司和保險(xiǎn)業(yè)需共同面對(duì)的課題。然而針對(duì)SES-10這次發(fā)射而言，憑借著盧森堡SES公司的良好“口碑”擔(dān)保，此次發(fā)射保險(xiǎn)費(fèi)率與以往新火箭一致。但這僅僅是首次復(fù)用發(fā)射，未來多次復(fù)用火箭的保險(xiǎn)費(fèi)率會(huì)不會(huì)有所上浮，費(fèi)率上升是否會(huì)導(dǎo)致火箭發(fā)射報(bào)價(jià)的變動(dòng)，目前仍是未知。

但是，太空探索公司已表示未來有意徹底取消一次性發(fā)射任務(wù)，所有“獵鷹”9發(fā)射都將包括在可回收運(yùn)力范圍內(nèi)（目前地球同步轉(zhuǎn)移軌道載荷發(fā)射的海上回收運(yùn)力極限是5.5噸左右），而超出該范圍的載荷將采用運(yùn)力更強(qiáng)的重型獵鷹火箭執(zhí)飛，而重型獵鷹火箭也將進(jìn)行回收和復(fù)用。也就是說，未來復(fù)用火箭發(fā)射在公司業(yè)務(wù)中的占比將越來越高。有趣的是，財(cái)大氣粗的美國空軍之前曾表示無意采用復(fù)用火箭發(fā)射軍用載荷，但在此次復(fù)用發(fā)射成功后不久就改口表示有意在未來考慮訂購更具“性價(jià)比”的復(fù)用火箭，看來“省錢”是所有客戶一致的追求。復(fù)用火箭雖然看似前途光明，但已有的試驗(yàn)已經(jīng)暴露出了不少亟待改進(jìn)的問題。因此回收和復(fù)用流程免不了持續(xù)改進(jìn)，未來的復(fù)用之路更是道阻且長。

回收過程中被氣動(dòng)加熱變紅的格柵舵

箭體的OctaWeb承力結(jié)構(gòu)

持續(xù)改進(jìn)和完全復(fù)用

作為火箭回收領(lǐng)域的探路者，太空探索公司仍在不斷摸索和改進(jìn)整個(gè)回收體系，發(fā)射前就有媒體曝光了公司正在調(diào)試的“火箭回收機(jī)器人”。這款機(jī)器人的實(shí)際作用是代替以往的危險(xiǎn)而又笨拙的回收箭體固定方式，提供一種快速的箭體固定模式，防止火箭因?yàn)榧装宓臋M縱搖動(dòng)而滑落海中。

在以往的“獵鷹”9發(fā)射中，一旦火箭平穩(wěn)降落，在另一艘工作船上的工作人員就需要冒險(xiǎn)登上回收駁船手動(dòng)安裝四個(gè)固定結(jié)構(gòu)，然后將固定結(jié)構(gòu)就地焊接在甲板上，這時(shí)火箭才與駁船可靠連接，可以承受返航過程中所面臨的風(fēng)浪。

而有了這款機(jī)器人之后，只需要將機(jī)器人安放在回收平臺(tái)可傾轉(zhuǎn)的擋焰板后方。然后與以往一樣，火箭照常發(fā)射并降落至平臺(tái)上。在火箭著陸穩(wěn)定后，機(jī)器人從擋焰板后方移動(dòng)出來，在工作人員遙控下開始向火箭正下方移動(dòng)。四只機(jī)械臂對(duì)準(zhǔn)箭體結(jié)構(gòu)上的吊耳并進(jìn)行連接，之后機(jī)器人會(huì)進(jìn)一步吸附在甲板上，從而間接使火箭固定在甲板上。

它的出現(xiàn)大幅度縮短了箭體著陸到箭體固定之間的時(shí)間間隔；省卻了焊接操作，降低了對(duì)駁船甲板的損傷；也減少了駁船維護(hù)和裝卸的工作量；提高了回收的安全性，甚至有可能免去工人登上回收駁船的步驟。

這款機(jī)器人雖然算不上什么顛覆性的發(fā)明，最多不過是為回收工作錦上添花，但是要知道，首次海上回收成功距今僅僅不到一年，太空探索公司已經(jīng)基本摸清了海上回收的流程，不僅逐步改進(jìn)了回收平臺(tái)，還需要進(jìn)一步優(yōu)化裝卸流程，所以這款機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。雖然該機(jī)器人正式投入使用還要假以時(shí)日，但其作用不容小覷。

當(dāng)然改進(jìn)不僅限于回收平臺(tái)，火箭本身的改進(jìn)更是關(guān)鍵。由于鋁制格柵舵在回收過程中與大氣劇烈摩擦發(fā)熱，并受到嚴(yán)重的氣流沖蝕而受損，難以多次使用，格柵舵未來將被替換為鈦合金材質(zhì)。雖然重量和成本上有所上升，但是隨著復(fù)用次數(shù)的增加，長期來看還是會(huì)節(jié)省成本并減少翻修工作量的。

此外太空探索公司還在嘗試整流罩回收，但公司對(duì)于具體的回收方案諱莫如深，只能從發(fā)言人的只言片語中管窺一二。而此次發(fā)射中就秘密進(jìn)行了整流罩回收試驗(yàn)，但結(jié)果似乎并不成功，不僅只成功回收了兩片整流罩中的一片，而且根據(jù)照片顯示回收的整流罩已經(jīng)破損。不過考慮到官方公布的整流罩500萬美元的成本，如果未來整流罩回收并復(fù)用成功，所帶來的成本下降同樣不容小覷。

除此之外，太空探索公司不再滿足于回收火箭一級(jí)，還要在重型獵鷹火箭的首次發(fā)射中嘗試回收二級(jí)，由于二級(jí)在發(fā)射中一般都已經(jīng)入軌，回收需要再入大氣層，消耗大量燃料。此外二級(jí)一直都是一次性設(shè)計(jì)，雖然回收方案尚未公布，但肯定需要加裝熱盾和氣動(dòng)翼面，這樣又會(huì)增重。短期來看即使回收成功，從費(fèi)效比角度也并不劃算，因此更多是利用重型獵鷹火箭富余運(yùn)力進(jìn)行的一次技術(shù)演示。

隨著公司未來整流罩回收的實(shí)現(xiàn)和“獵鷹”9的最新復(fù)用改型Block5的推出，“獵鷹”9的回收從物料成本上無疑是節(jié)省的，畢竟回收了整枚火箭90%的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)和大部分箭體。但是考慮到目前公司宣稱的4個(gè)月的翻修周期和零部件解體、更換、測(cè)試的額外成本，以及多次復(fù)用后有可能帶來的保險(xiǎn)費(fèi)率上升，目前現(xiàn)有的回收體系究竟能不能在數(shù)次復(fù)用后依舊能保證火箭可靠，能不能降低發(fā)射服務(wù)的費(fèi)用，究竟能降低多少發(fā)射服務(wù)的費(fèi)用，仍然未知。不過即使多年以后，復(fù)用火箭如航天飛機(jī)一樣證明并不經(jīng)濟(jì)，但太空探索公司的努力至少為我們又指出了一條“死胡同”。從這個(gè)角度來講，也算得上是大功一件了。

火箭返回CG圖