火箭復用的極限在哪里

文/ 李宇飛

▲ 2015 年12 月21 日，獵鷹9 火箭實現(xiàn)第一級軟著陸

2020 年12 月19 日，美國太空探索技術(shù)公司利用獵鷹9 號運載火箭為美國國家偵察辦公室（NRO）發(fā)射了一顆名為NROL-108 的軍用保密衛(wèi)星。這是該公司在2020 年的最后一次，也是第26 次火箭發(fā)射，同時也創(chuàng)造了該公司全年發(fā)射次數(shù)最多的新紀錄，并且全部獲得成功。

對于火箭重復使用來說，這次發(fā)射也有著特殊的意義。NROL-108 任務是太空探索技術(shù)公司自2015 年回收第一枚助推器以來，第50 次使用回收的助推器執(zhí)行軌道發(fā)射任務，也是獵鷹9號火箭的第70 次回收著陸，其中包括3 次獵鷹重型運載火箭任務中同步回收的側(cè)助推器。此次發(fā)射任務由已經(jīng)執(zhí)行過4 次發(fā)射任務的的獵鷹9 號火箭執(zhí)行，在北京時間晚上10 點從肯尼迪航天中心的39A 發(fā)射臺點火起飛，升空大約9 分鐘后，助推器返回并降落在附近卡納維拉爾角的LZ-1 著陸區(qū)。

火箭回收5 周年

而接下來的一天，恰好也是獵鷹9 號火箭首次回收的第五周年紀念日。為了慶祝公司在火箭重復使用方面取得的成就，太空探索技術(shù)公司還專門分享了一段紀念視頻。2015 年12 月21日，獵鷹9 號火箭將11 顆Orbcomm-OG2 衛(wèi)星送入近地軌道，首次嘗試一子級火箭的垂直著陸。該任務被命名為

Falcon 9 Flight 20。

當天，獵鷹9 號火箭的第一級從太空返回，完美地降落在位于佛羅里達州發(fā)射場附近的卡納維拉爾角天軍基地1 號著陸區(qū)。在完成歷史性回收后沒幾天，太空探索技術(shù)公司就對其進行了靜態(tài)點火測試，確定火箭處于完好狀態(tài)，可以重新使用。該公司當即決定不再重復使用Flight 20 火箭的第一級，而是選擇在加利福尼亞州霍桑市的公司總部展示極具歷史意義的B1019 助推器，以此提醒所有員工，公司的最終目標是開發(fā)能夠完美回收的運載火箭。

▲ 獵鷹9 號火箭 B1019 助推器在加州霍桑公司總部展示

七八手火箭飛太空

5 年后的今天，太空探索技術(shù)公司已經(jīng)是全球公認的航空航天創(chuàng)新領(lǐng)導者。該公司的火箭以唯一能夠完美地從太空返回并且能夠重復使用而聞名，這成為了該公司的標志性壯舉。在2020年，獵鷹9 號運載火箭的可重復使用次數(shù)同樣創(chuàng)造了歷史記錄。太空探索技術(shù)公司在一年內(nèi)2 次進行了七手火箭的重復使用。

一次是2020 年11 月25 日在卡納維拉爾角空軍基地（12 月9 日更名為太空軍基地）第40 號發(fā)射臺，發(fā)射星鏈低軌寬帶星座的第16 組共60 顆組網(wǎng)衛(wèi)星，一級助推編號B1049.7。另一次是12 月14 日在同樣地點發(fā)射美國天狼星XM 公司（SXM）的SXM-7 大型大功率數(shù)字音頻無線電業(yè)務（DARS）衛(wèi)星，一級助推編號B1051.7。兩次發(fā)射都成功實現(xiàn)了一子級的落船回收，為進一步提升重復使用次數(shù)紀錄提供了可能。

進入新的一年，獵鷹9 號火箭繼續(xù)刷新復飛紀錄。2021 年1 月20 日，太空探索技術(shù)公司獵鷹9-1.2 型火箭在卡納維拉爾角肯尼迪航天中心第39A號發(fā)射臺發(fā)射了星鏈低軌寬帶星座的第17 組共60 顆衛(wèi)星。本次發(fā)射采用了此前已用過7 次的一枚一級火箭，編號B1051.8。這是太空探索技術(shù)公司首次讓同一枚火箭第8 次參加發(fā)射。并且這枚箭再次成功實施了落船回收，從而保留了繼續(xù)提升復用次數(shù)的可能。

太空探索技術(shù)公司首席執(zhí)行官馬斯克曾表示，目前正在被大量使用的獵鷹9 號V1.2 版構(gòu)型5 一子級火箭被設計成“在無需例行整修的情況下”能反復使用10次，而若“做適當?shù)睦芯S護”可用100 次。

事實果真會如此嗎，運載火箭重復使用的極限在哪里呢？

▲ 美國天狼星XM 公司（SXM）的SXM-7 大型大功率數(shù)字音頻無線電業(yè)務（DARS）衛(wèi)星搭載“獵鷹9”入軌

重復使用是火箭發(fā)展必然趨勢

說起“重復使用”，大家往往會有一種既熟悉又陌生的感覺。說到“熟悉”，人們生活中用到的交通工具，汽車、輪船、飛機，哪一樣不是重復使用的，哪有用一次就扔的？說到“陌生”，以前對于運載火箭還真是很少聽說重復使用，都是一次性，發(fā)射完都不知道掉哪里了。運載火箭為什么是這樣的，那還得從運載火箭的濫觴，大名鼎鼎的火箭公式說起。

上個世紀初，隨著航空技術(shù)的進步，人們逐漸發(fā)現(xiàn)大氣層是有邊界的，甚至估算出了大氣層的厚度。傳統(tǒng)的航空器，無論是依靠空氣浮力的氣球，還是依靠氣動升力的飛機，都不可能越出大氣層。

那有沒有讓人類越出大氣層的工具呢？由于地球是宇宙中的一個球體，通過對于基本力學知識的推導，可以知道如果一個物體的速度足夠快，那么它環(huán)繞地球運動產(chǎn)生的離心力，就可以和地球?qū)λa(chǎn)生的萬有引力相平衡，那么就它就能夠脫離大氣層進入環(huán)繞地球的軌道。這就是我們所熟知的7.8 千米/秒第一宇宙速度。

這其中的關(guān)鍵就在于，如何使物體獲得這樣大的速度。這時偉大的火箭之父齊奧爾科夫斯基就出場了。他推導出了火箭公式，提出利用運載火箭將物體送到環(huán)繞地球的軌道之上的可行路徑。

火箭公式的核心就在于將燃料變?yōu)槲矬w的速度增量。但是由于化學推進劑本身的特性所限，火箭起飛質(zhì)量的絕大部分必須是推進劑質(zhì)量，目前火箭的燃料通常要占到自重的80%～90%。我們所看到的火箭本體，甚至可以說就是一個推進劑貯箱。在技術(shù)水平較為低下的時候，即便是一次性運載火箭，也不能夠用如此輕的飛行器質(zhì)量，裝載如此多的推進劑起飛，畢竟火箭飛行所經(jīng)歷的力學環(huán)境要比普通飛機惡劣得多。

齊奧爾科夫斯基的偉大之處在于，他僅僅通過數(shù)學推導，就提出了多級火箭的概念，為人們用較為低下的技術(shù)水平實現(xiàn)航天飛行奠定了基礎。因為使用多級火箭，可以逐次將一部分用光了推進劑的火箭子級拋棄，進而保證最終的有效載荷能夠獲得足夠的速度增量。

液體火箭一般只需要兩級就可以進入近地軌道，而固體火箭一般需要三級、甚至四級，這是因為固體火箭推進劑的比沖較低的緣故。而為了實現(xiàn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射，目前國際上主流火箭一般采用三級或兩級半構(gòu)型。比如美國的“德爾它”“宇宙神”，俄羅斯的“安加拉”“質(zhì)子”，歐空局的“阿里安”，中國的長征三號甲系列運載火箭等。

而重復使用的要求，往往意味著需要付出更多的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，比如需要加裝著陸回收裝置、結(jié)構(gòu)增厚加強以應對重復多次的飛行載荷等。在這種形勢下，早期的運載火箭必然是多級的一次性運載火箭。

▲ 齊奧爾科夫基當年畫的火箭原理設想圖

▲ 藍源公司新謝潑德亞軌道飛行器

但是隨著技術(shù)的進步，火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量可以變得越來越輕，同時強度越來越高，那么運載火箭的演進趨勢也就確定了，那就是由多級向單級，由一次性使用向重復使用，由部分重復使用向完全重復使用發(fā)展。

目前，“獵鷹9 號”可以說是最為先進的運載火箭。這里有兩個方面的原因：一方面是因為它是市面上罕見的可適應主流地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)載荷的兩級串聯(lián)、且不用氫氧動力的火箭。這說明“獵鷹9”在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、發(fā)動機綜合性能方面已經(jīng)達到了很高的水平。另一方面就是因為“獵鷹9”已經(jīng)實現(xiàn)了部分重復使用，且重復使用率達到了80%。

垂直回收提高了重復使用能力

自從一次性運載火箭技術(shù)成熟之后，人類就開始向著可重復使用這個目標邁進了。為了這個目標，人類進行了頗多的嘗試，提出了各種各樣的技術(shù)路徑。

土星1 號火箭是美國對重復使用運載器概念的最早嘗試。在20 世紀60年代，美國宇航局嘗試使用滑翔傘翼對土星1 號火箭一級進行回收，力圖實現(xiàn)自主著陸，因當時著陸技術(shù)不太成熟，致使該方案只停留在縮比試驗階段。上世紀50 年代，蘇聯(lián)也曾嘗試通過傘降回收小型氣象火箭，并取得成功。在經(jīng)過簡單修復后，小火箭實現(xiàn)了二次飛行。

1977 年，美國的航天飛機通過垂直起飛、水平降落的方式首次實現(xiàn)載人試飛，而航天飛機所使用的兩枚固體火箭助推器則通過降落傘減速后濺落在海面上，進而實現(xiàn)回收重復使用。進入21 世紀，太空探索技術(shù)公司的獵鷹系列火箭和“藍色起源”的新謝潑德火箭均通過垂直發(fā)射、垂直回收的方式實現(xiàn)了火箭的回收重復使用。

除此以外，人們還對于完全可重復使用的單級入軌飛行器進行了多次探索。1986 年美國提出研制以吸氣式發(fā)動機為動力的國家空天飛機（NASP），但由于該項目研制費用過高，技術(shù)難度太大，被迫于1994 年停止。1996 年，美國再次決定開發(fā)火箭動力單級入軌飛行器“冒險星”的縮比試驗飛行器X-33，同樣因為技術(shù)難度大，計劃超期，于2001 年宣布放棄。

可重復使用運載系統(tǒng)按照起降方式的差異性，可分為3 種方式。

第一種方式，水平起飛/水平回收。

水平起飛/水平回收的運載系統(tǒng)的動力形式一般為吸氣式組合動力。吸氣式組合動力可以在不同的飛行高度和馬赫數(shù)條件下啟用最優(yōu)的工作模式，達到最佳的加速和巡航要求，能夠充分利用大氣中的氧減輕自身的起飛重量，成為未來最有前途的動力系統(tǒng)。在20 世紀90 年代各國吸氣式動力的單級入軌空天飛機計劃因技術(shù)難度較大而夭折后，各國都采取了比較務實的做法，先發(fā)展較為成熟的火箭動力，后發(fā)展技術(shù)難度更大的吸氣式組合動力。

第二種方式，垂直起飛/水平回收。

對于火箭動力的兩級入軌可重復使用火箭而言，采用垂直發(fā)射方式，起飛和飛行時主要承受軸向載荷，結(jié)構(gòu)設計簡單，同時垂直起飛能夠快速穿越大氣層，氣動阻力損失小。翼身組合體式氣動外形可采用水平降落的模式，利用大氣阻力進行著陸前減速，但是飛行中氣動阻力和氣動加熱比垂直降落大，需要在機翼和機身部位采取防熱措施，另外水平著陸還需要較長的跑道進行滑跑減速，氣動、控制、熱防護等方面技術(shù)難度較大，著陸跑道等基礎設施建設周期較長。水平返回的帶翼重復使用運載器具備優(yōu)異的高超聲速飛行能力和快速響應能力。

垂直起飛/水平回收的典型代表是美國的航天飛機。它是往返于地面和近地軌道之間運送人和有效載荷的飛行器，兼具載人航天器和運載器功能，并按飛機方式著陸的航天系統(tǒng)。由于航天飛機過于復雜，載人兼運貨，操作效率低，每年飛行次數(shù)不到10 次，相反成為了運行費用昂貴的飛行器，實踐證明它在經(jīng)濟性、安全性和可靠性方面都未達到預期目標。2011 年7 月，美國航天飛機完成第135 次任務后正式退役。統(tǒng)計顯示，航天飛機計劃共計花費1960 億美元，其中每架航天飛機的造價約為120 億美元，單次發(fā)射的費用約為4.5 億美元（超預算近10 倍）。

第三種方式，垂直起飛/垂直回收。

火箭采用旋成體氣動外形，結(jié)構(gòu)設計簡單，一般采用垂直降落方式，用于著陸的結(jié)構(gòu)附加重量較小，相比于水平降落方式，氣動、控制、熱防護技術(shù)難度較小，但是要求發(fā)動機具備大范圍推力調(diào)節(jié)能力，同時需要預留推進劑減速，損失部分運載能力。

垂直起飛/垂直回收的典型代表是太空探索技術(shù)公司的獵鷹系列火箭和藍色起源公司的新謝潑德火箭。兩者均已多次實現(xiàn)火箭的回收復用，充分驗證了技術(shù)的成熟度。同時，火箭的使用成本也大幅下降。按照埃隆·馬斯克的說法，第一級火箭回收復用可以在現(xiàn)有成本的基礎上再降低70%成本。

綜上所述，水平起飛/水平降落技術(shù)難度較大，短期內(nèi)難以具備工程應用能力；垂直起飛/水平降落雖然具備工程實踐的條件，但是使用維護成本高，運營主體通常難以承受；垂直起飛/垂直降落不用改變火箭構(gòu)型，技術(shù)難度相對較小，真正實現(xiàn)了火箭發(fā)射成本的降低，成為目前最受青睞的重復使用技術(shù)路線。

▲ 獵鷹9 號火箭回收失敗，一級落入海中

可重復使用飛行器的壽命如何度量

在討論可重復使用運載火箭的重復使用次數(shù)極限，也就是壽命極限之前，我們首先需要了解可重復使用運載火箭壽命的影響因素。根據(jù)影響因素的不同，可重復使用運載火箭的壽命可以分為設計壽命、經(jīng)濟壽命和技術(shù)壽命3 種。經(jīng)濟壽命遠遠大于設計壽命，技術(shù)壽命和經(jīng)濟壽命則取決于二者各自的成本，通常是成本高的一方讓位于成本低的一方。

設計壽命是指可重復使用運載火箭從全新狀態(tài)開始使用直到主要設備故障，火箭不能發(fā)射使用所經(jīng)歷的時間。比如著陸支架沖擊失效、箭體老化開裂、發(fā)動機冷卻管道結(jié)焦超標、渦輪泵疲勞開裂等等，都將使得運載火箭不再能夠使用。

技術(shù)壽命是指可重復使用運載火箭開始使用到因技術(shù)落后而被淘汰所經(jīng)歷的時間。技術(shù)進步將會引起原有火箭型號使用時間縮短而提前退役，比如新的火箭由于采用某些技術(shù)革新，單發(fā)運載能力更高，可以獲得更高的市場收益，那么舊型號火箭的壽命自然縮短。

▲ 獵鷹9 號火箭Flight 20 任務中火箭的柵格舵

▲ 在廠房中進行翻修檢查的B1051.7 助推器

▲ 陳列在加州霍桑本部的首枚回收芯級

就拿獵鷹9 號運載火箭來說吧，其按照技術(shù)迭代目前可以分為3 代，代號分別為v1.0、v1.1 和v1.2，v1.2 還可細分為Block3～5 三個版本。從v1.1 開始，太空探索技術(shù)公司進行了一級垂直回收試驗，并在v1.2 Block3 的F21 和F23分別取得首次陸上、海上回收成功。而F55 是v1.2 Block5 構(gòu)型的首飛，一子級從編號B1046開始。Block5之前的版本，即使取得了可重復使用能力，也從來沒有使用超過兩次的記錄，它們已經(jīng)因為技術(shù)落后自然淘汰，結(jié)束了其技術(shù)壽命。

經(jīng)濟壽命是指可重復使用運載火箭最經(jīng)濟的使用期限，即其使用期限是基于使用成本最低或經(jīng)濟效益最高的評價標準而決定的。可重復使用運載火箭隨著使用次數(shù)的增加，其主要部件的性能將逐漸退化。在其壽命的末期，因檢修到的故障頻繁而引起的維修費用急劇增加?？芍貜褪褂眠\載火箭投入使用之后，使用的時間越長，每年分攤的建造成本越少，每次的保養(yǎng)和操作費用卻越多。在最適宜的使用次數(shù)內(nèi)火箭平均每次的發(fā)射費用最低，這就是經(jīng)濟壽命。

如果只是突破了可重復使用技術(shù)，但經(jīng)濟方面不合算的話，將難以長久實現(xiàn)應用。例如航天飛機，雖然技術(shù)先進，但每次回收之后的維修發(fā)射成本大大超出預期。最初預計僅有3000 多萬美元，但實際成本達到4 億～5 億美元，這成為航天飛機難以維持的重要原因。

目前所討論的獵鷹9 號運載火箭重復使用次數(shù)極限，主要是由其經(jīng)濟壽命決定的。

可重復使用火箭壽命極限的探索

要掌握一種運輸工具精確可信的經(jīng)濟壽命，就必須進行大樣本量的統(tǒng)計，建立精確的預測模型。這樣，生產(chǎn)廠家才能確定使用多少次后需要進行保養(yǎng)，多少次后需要大修，多少次后應該報廢，就像我們熟知的轎車一樣。其實飛機也是一樣，例如空客320 飛行600小時需要進行一次A 檢，飛行18 個月就要進行一次大費周章的C 檢，基本上要全部拆開檢查，修理時長可能長達20～60 天。

而目前獵鷹9 號運載火箭尚未達到這樣的樣本水平。對于其經(jīng)濟壽命極限，太空探索技術(shù)公司還在不斷的探索當中。盡管馬斯克曾經(jīng)聲稱，獵鷹9 號火箭回收10 次以內(nèi)，可以不經(jīng)維護直接重新加注推進劑使用，就像其第一枚成功回收的助推器那樣。但從實際的同一助推器復用時間間隔來看，目前最短間隔時間38 天，最長619 天，平均值167 天，連1 個月內(nèi)復用的情況都尚未出現(xiàn)，這說明太空探索技術(shù)公司在利用這段時間對回收的助推器進行深入的檢查和測試。只有盡可能詳細地了解各個部件的性能退化情況，才能更快地建立精確的壽命模型和操作規(guī)范。一種經(jīng)濟的重復使用火箭，必然不是每次飛回來之后都要大卸八塊，對每個部分都進行仔細的檢查，有些許瑕疵就不敢再次使用。

2020 年2 月初，太空探索技術(shù)公司的一位工程師透露，他們已經(jīng)成立了類似于民航客機檢修的箭體翻新小組。在翻新過程中，需要檢查連接部位和焊縫，并確保所有的航電設備都工作正常。目前檢修工作要求非常細致，耗時需要1 個月，團隊還在實踐中摸索。這說明真正意義上的快速檢測、復用仍處于研究與試驗中。

▲ 2018 年2 月7 日獵鷹重型火箭成功將櫻桃色的特斯拉跑車送入深空軌道，2 枚助推成功落船回收

2020 年3 月18 日，第6 批星鏈組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，首次使用了五手一級箭體，但在一級飛行末段，外圍的1 臺發(fā)動機發(fā)生故障，一級回收也出現(xiàn)問題未能夠成功著船。在發(fā)射前夕，總裁兼首席運營官肖特維爾表示，公司不再對獵鷹9 號火箭一級進行設計改進，同時不打算復用一級超過10 次以上。

這樣看來，如果太空探索技術(shù)公司不再對獵鷹9號火箭一級進行技術(shù)升級，可能它的重復使用極限就會被限制到10次了。

我們知道，獵鷹9 號火箭之所以能夠獲得重復使用上的突破，很大程度上在于太空探索技術(shù)公司需要用這一殺手锏大幅壓低發(fā)射成本，進而獲得商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場上的絕對優(yōu)勢?？梢粤舷?，如果有新的對手出現(xiàn)，在強有力的競爭下，重復使用火箭技術(shù)將繼續(xù)獲得推動，其壽命極限也將得以繼續(xù)提高。