有翼式復(fù)用運載器：明日黃花 前景黯淡

文/松鼠

▲Skylon云霄塔

美國獵鷹9號火箭5月12日成功發(fā)射了Bangabandhu-1通信衛(wèi)星，這次發(fā)射的亮點并非孟加拉國的第一顆通信衛(wèi)星，而是獵鷹9號Block 5型火箭的首次發(fā)射。Block 5型火箭設(shè)計復(fù)用次數(shù)超過10次，計劃通過火箭多次復(fù)用降低發(fā)射成本。新的獵鷹火箭能否實現(xiàn)降價的目標(biāo)還有待檢驗，但曾經(jīng)如火如荼的有翼式復(fù)用運載器，早已是明日黃花。

有翼卻難以飛翔

一次性運載火箭太貴，運載器復(fù)用追求的就是降低發(fā)射成本，太空探索技術(shù)公司老板馬斯克剛剛表示，現(xiàn)在發(fā)射價值6200萬美元的獵鷹9號火箭，一次發(fā)射使用的液氧和煤油總成本不過是30到40萬美元。但相比鉛筆一樣呆板的運載火箭，靈活的飛機生來就是重復(fù)使用的，航空航天不分家，工程師們做熟不做生，復(fù)用運載器帶上翅膀不是天經(jīng)地義的么？

大名鼎鼎的馮·布勞恩不僅研制了V-2火箭，參與了土星5號火箭的研制，還曾為《科利爾》雜志撰稿，描繪了載人火星藍圖。馮·布勞恩火星計劃使用“渡船火箭”（Ferry Rocket）將火星飛船部件送入太空，“渡船火箭”是一種三級全重復(fù)使用火箭，為了飛回來設(shè)計了三對機翼，它可以把25噸重的飛船部件送入1730千米高度的停泊軌道?！岸纱鸺笨傊馗哌_7500噸，它的第一級就重6400噸，是日后土星5號火箭全重的兩倍還多。為了在地球軌道上建成10艘大型飛船組成的火星艦隊，要制造46枚“渡船火箭”進行950次發(fā)射，平均每枚“渡船火箭”復(fù)用20次以上。當(dāng)然，馮·布勞恩低估了大型火箭和復(fù)用運載器的難度，更不要說天地往返的難度了，“渡船火箭”由始至終只有想象圖和模型。

“渡船火箭”只是個美好的想象，但有翼式復(fù)用運載器可是風(fēng)行一時。美國和蘇聯(lián)都競相研制帶“翅膀”的航天復(fù)用運載器，美國的航天飛機是其中最經(jīng)典的代表。航天飛機擁有一對三角翼，可以進行遠距離滑翔返回機場著陸，它號稱要革命性地降低航天發(fā)射的成本，航天工程師更不要說科幻作家都期待航天飛機帶來太空大開發(fā)的時代。不過，航天飛機正式服役后卻讓人大失所望，它的單次發(fā)射成本甚至比一次性的大力神火箭還要貴，這就實在令人尷尬了。即使美國宇航局后來用建造空間站來給它強行續(xù)命20年，但2011年航天飛機還是黯然落幕了。

▲布勞恩和渡船火箭模型

▲渡船火箭

▲俄羅斯安加拉火箭將裝備可折疊翼板

有翼式的致命缺陷

美國航天飛機降低發(fā)射成本的努力失敗了，這可不是美國一家的問題，蘇聯(lián)的暴風(fēng)雪號航天飛機同樣昂貴，而歐空局和日本的航天飛機只停留在紙面上。為什么有翼式復(fù)用運載器的研究在轟轟烈烈后逐漸沉寂？這是因為它有致命的短板！

就以航天飛機來說吧，1972年尼克松批準(zhǔn)撥款26億美元研制航天飛機，而此前預(yù)研階段就花了4.9億美元，這可是20世紀(jì)70年代的30億美元。然而它能運多少物資上天呢？早期是29.5噸,后來出于安全考慮降低到25噸，而一次性的運載火箭，以1984年研制的大力神IV火箭為例，它的最大運力21.5噸，但研制費用只有4.27億美元。簡單地說，由于要考慮重復(fù)使用的因素，尤其是采用航天飛機這種有翼式軌道器設(shè)計，同等運力下有翼式復(fù)用運載器的研制成本要比一次性運載火箭高太多！

當(dāng)然，即使研制和制造成本很高，但航天發(fā)射中推進劑成本只是九牛一毛，只要重復(fù)使用大獲成功，復(fù)用運載器降低發(fā)射成本仍然前途光明。再以大力神IV火箭為例，它的發(fā)射價格就有2.2億美元，航天飛機研制費用就算高了30億美元，20次發(fā)射下來不就攤平了么？然而事情沒那么簡單。航天飛機軌道器可以入軌并返回，但一級半方式入軌需要高比沖的發(fā)動機系統(tǒng)，軌道速度再入大氣層返回需要復(fù)雜的熱防護系統(tǒng)，結(jié)果航天飛機發(fā)射成本高，同時需要復(fù)雜的地面維護。航天飛機原計劃一個月甚至一周發(fā)射一次，每架航天飛機重復(fù)使用100次，服役后發(fā)現(xiàn)目標(biāo)實在鞭長莫及。同一架航天飛機的周轉(zhuǎn)周期從沒有縮短到一個月內(nèi)，至于復(fù)用次數(shù)，美國5架航天飛機在30年里總共飛行了135次，單架100次復(fù)用的目標(biāo)就實在是水中月鏡中花了。

航天飛機的研制成本高，但重復(fù)使用次數(shù)太少，沒能有效攤薄研發(fā)成本；航天飛機這么復(fù)雜嬌貴的系統(tǒng)，維護保障團隊需要花巨資維持，但它地面維護檢修復(fù)雜繁瑣，花費時間還長，維護成本也水漲船高。美國原計劃投資160億美元，制造2架試驗機和3架服役的航天飛機，整個服役期間進行439次發(fā)射，這樣每次發(fā)射只有3600萬美元，但最終航天飛機發(fā)射價格高達4億美元，這不僅讓通過復(fù)用降低發(fā)射成本成為黃粱一夢，發(fā)射成本甚至比一次性火箭還要貴。說到這里，大家也應(yīng)該明白有翼式的根本問題了：它研制成本太高，維護成本也不低，這就需要高復(fù)用次數(shù)和高發(fā)射頻率來平攤成本。如果無法重復(fù)使用那么多次，或是發(fā)射頻率沒那么高，那發(fā)射成本必然暴漲，價格對比一次性火箭全無優(yōu)勢。

航天飛機研制使用成本高，它需要入軌和返回是重要原因，如果把傳統(tǒng)火箭第一級做成有翼式重復(fù)使用運載器，是不是就能降低成本呢？這個思路降低了復(fù)用難度和研發(fā)成本，然而理論探討也不容樂觀。俄國人曾提出“貝加爾”飛回式有翼助推器的概念，時隔20年后又拖出來亮相，美國當(dāng)年也提出過LFBB和StarBooster等飛回式有翼助推器概念，但即使是為航天飛機論證的LFBB都沒能脫離紙面。飛回式有翼助推器同樣面臨和航天飛機一樣的困難，它們研制和維護成本高，但哪里有那么多發(fā)射需求攤薄成本呢？美國空軍研究發(fā)現(xiàn)，一個飛回式有翼液體助推器，如果一切順利也就能降低40%的發(fā)射成本，但沒有每年十幾次甚至更多發(fā)射，它的發(fā)射成本甚至比一次性火箭還高。美國空軍曾啟動過復(fù)用助推器系統(tǒng)研究，最終還是只聽樓梯響不見人下來；美國先進研究項目局（DARPA）倒是有一個XS-1項目，XS-1具備將最重3000磅/1360千克的載荷發(fā)射入軌的能力，它的目標(biāo)是每年至少10次的發(fā)射頻率下，發(fā)射費用降低到500萬美元。DARPA在公私合營模式下只提供了1.4億美元，剩下的研制資金需要波音公司自帶干糧。波音只好搜羅舊貨，用翻新的SSME發(fā)動機和現(xiàn)成的飛控軟件，其前景實在不容樂觀。

▲航天飛機

▲XS-1飛行器

復(fù)用火箭的擠壓

有翼式復(fù)用運載器的發(fā)展步履維艱，目前無論是英國大型新概念的云霄塔（Skylon）還是使用美國小型火箭發(fā)動機的XS-1，未來仍然前途未卜。與此同時，運載火箭的重復(fù)使用卻獲得突破，進一步擠壓了有翼式運載器的生存空間。

2013年9月美國DARPA提出XS-1方案時，獵鷹9號火箭重復(fù)使用還是天方夜譚。同年9月29日“獵鷹9號”發(fā)射成功，但一級火箭再入后砸到海面上。2014年兩次試驗中獵鷹火箭在海面軟著陸成功，但2014年9月又砸到海面上。2015年1月和4月的發(fā)射中，海上回收平臺的兩次著陸都以失敗告終。2015年12月22日獵鷹火箭第一級在陸上成功垂直著陸，但還有無數(shù)人言之鑿鑿的說，海上環(huán)境復(fù)雜小平臺無法成功降落，接下來2016年4月8日獵鷹火箭就在海上平臺降落成功了。2017年3月30日，獵鷹9號回收第一級再次投入發(fā)射，到現(xiàn)在復(fù)用發(fā)射成功已經(jīng)司空見慣。

▲美國空軍曾經(jīng)預(yù)研的復(fù)用運載器

▲發(fā)現(xiàn)號航天飛機

然而XS-1在干什么呢？2014年DARPA正式發(fā)布合同，第一階段合同完成后，2016年4月7日又發(fā)布第二階段合同，次日獵鷹9號就在海上成功降落回收。2017年5月DARPA選定了波音公司研制XS-1，這時“獵鷹9號”都已經(jīng)完成首次復(fù)用發(fā)射了。XS-1計劃2020年實現(xiàn)首次軌道發(fā)射，現(xiàn)在獵鷹9號Block5型火箭也發(fā)射回收了，它不需專門維護就能重復(fù)使用10次以上。馬斯克表示今年就有望看到同一枚Block5型火箭進行第3次甚至第4次發(fā)射，明年看到第10次發(fā)射，而它的終極目標(biāo)是挑戰(zhàn)連續(xù)100次重復(fù)使用！

對比復(fù)用的獵鷹火箭，XS-1復(fù)用方案除了帶有機翼，進度上實在差得太遠了。不過話說回來，有翼式復(fù)用運載器起了個大早，趕了個晚集，關(guān)鍵是成本降不下來，那么它們的成本又如何呢？XS-1的目標(biāo)是3670美元/千克，而現(xiàn)在一次性的獵鷹9號火箭就做到了2720美元/千克，進一步復(fù)用后成本還能降低。XS-1復(fù)用運載器既不能發(fā)射大型衛(wèi)星，單位發(fā)射成本還更高，受到復(fù)用火箭的擠壓后，有翼式的復(fù)用運載器前途就更黯淡了。