垂發(fā)垂落

張雪松

航天器尤其是運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，一直是航天工業(yè)的熱門話題。因?yàn)闊o(wú)論是飛船還是火箭造價(jià)都相當(dāng)昂貴，如果運(yùn)載火箭可以重復(fù)使用，成本就大大降低了。但是這件事情知易行難，世界各國(guó)一直在火箭重復(fù)使用的道路上艱難探索。不過近來(lái)，美國(guó)的太空探索技術(shù)公司和藍(lán)色起源公司都取得了一定突破。2015年12月22日“獵鷹九號(hào)”在第20次發(fā)射中第一級(jí)首次成功飛回，并在卡納維拉爾角的LZ-1著陸場(chǎng)垂直著陸成功。2015年11月23日和2016年1月22日，藍(lán)色起源公司的“新謝潑德”兩次發(fā)射并垂直著陸成功。

美國(guó)早期火箭重復(fù)使用技術(shù)的發(fā)展

運(yùn)載火箭從一開始就是一種垂直發(fā)射的運(yùn)載工具，早期的運(yùn)載火箭并沒有考慮重復(fù)使用的問題。而航天界在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭設(shè)計(jì)上的能力和經(jīng)驗(yàn)不足，也很難設(shè)計(jì)出重復(fù)使用的運(yùn)載火箭。但是人們一直沒有放棄嘗試，主要是因?yàn)榛鸺F了。即使在航天競(jìng)賽的瘋狂年代里，美蘇兩個(gè)超級(jí)強(qiáng)國(guó)也對(duì)一次性運(yùn)載火箭的代價(jià)覺得有些吃不消，一枚土星五號(hào)火箭和一艘大型航母一樣昂貴，因此運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)的研究，得到了各方的大力支持。

從直覺上說(shuō)，最合理的航天運(yùn)載器重復(fù)使用方案，當(dāng)然是和飛機(jī)一樣水平起飛、水平降落，只不過它不僅能在大氣層內(nèi)飛行，還能飛向太空進(jìn)入軌道。美國(guó)專家們?cè)谟懻撐磥?lái)重復(fù)使用航天運(yùn)載器概念時(shí)，曾經(jīng)提出分階段實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用：首先做到載荷（如衛(wèi)星和飛船）的重復(fù)使用，用常規(guī)的一次性火箭發(fā)射；隨后研制一種二級(jí)火箭，垂直發(fā)射后，這兩級(jí)火箭都可以水平著陸并重復(fù)使用；最后研制出一種以吸氣式組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為核心的單級(jí)入軌運(yùn)載工具，它將類似普通飛機(jī)那樣水平起飛和著陸，同時(shí)具有類似普通民航飛機(jī)那樣的安全性、可靠性和維護(hù)性，也被人們稱為空天飛機(jī)。

就第二步來(lái)說(shuō)，最著名的嘗試當(dāng)屬美國(guó)航天飛機(jī)。1972年美國(guó)啟動(dòng)航天飛機(jī)項(xiàng)目時(shí)，樂觀的鼓吹者們認(rèn)為航天飛機(jī)將通過重復(fù)使用大幅度降低發(fā)射成本，徹底淘汰一次性運(yùn)載火箭。但是經(jīng)過1981年到2011年的三十年使用，即使最樂觀的支持者也不得不承認(rèn)，航天飛機(jī)身上沒能體現(xiàn)出重復(fù)使用降低成本的優(yōu)勢(shì)。

有人指出，航天飛機(jī)的一級(jí)半火箭設(shè)計(jì)為軌道器防熱帶來(lái)了巨大的麻煩，而三角翼加大貨艙的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的死重、更低的安全性和不低的周轉(zhuǎn)成本。那么換個(gè)思路，研制一種和一次性火箭差別不大、在較少的發(fā)射次數(shù)下仍具有經(jīng)濟(jì)性的重復(fù)使用運(yùn)載工具，是否可行呢？從這個(gè)思路出發(fā)，航天業(yè)界轉(zhuǎn)而考慮以一次性運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)，稍加改動(dòng)部分復(fù)用的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)然，要在復(fù)用和經(jīng)濟(jì)性上取得一個(gè)平衡，航天飛機(jī)那樣的垂直發(fā)射、水平著陸方案就不太合適了。

蘇聯(lián)/俄羅斯人的嘗試

蘇聯(lián)的“能源”號(hào)重型運(yùn)載火箭計(jì)劃進(jìn)行助推器的回收，它使用降落傘加滑橇回收的設(shè)計(jì)，也有說(shuō)法稱“能源”號(hào)的助推器將使用有翼返回的概念。

蘇聯(lián)解體后，俄羅斯在新一代的“安加拉”系列運(yùn)載火箭中提出了“貝加爾”飛回式液體助推器的設(shè)想，屬于“能源”號(hào)火箭液體助推器飛回概念的進(jìn)一步發(fā)展。“貝加爾”飛回式液體助推器計(jì)劃作為“安加拉”火箭的模塊使用，它的主發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)RD-191液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，可以提供約2000千牛推力。與傳統(tǒng)的液體助推器不同，“貝加爾”安裝了折疊的完整翼面，甚至還有一臺(tái)RD-33吸氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)?！柏惣訝枴惫ぷ鬟^程和傳統(tǒng)液體助推器一致，但在75000米高空以馬赫數(shù)5.6和火箭分離后，它將翻轉(zhuǎn)90度后再入。當(dāng)減速到亞音速后RD-33啟動(dòng)，推動(dòng)“貝加爾”返回發(fā)射場(chǎng)?！柏惣訝枴边€設(shè)計(jì)了起落架系統(tǒng)，可以像普通飛機(jī)一樣在機(jī)場(chǎng)跑道上降落。美國(guó)也曾提出類似的設(shè)計(jì)方案，比如至今還掛在登月航天員巴茲·奧爾德林網(wǎng)站上的StarBooster方案，德國(guó)航天局（DLR）的LFBB方案總體設(shè)計(jì)也如出一轍。

然而此類設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，在發(fā)射成本上比航天飛機(jī)并沒有多大優(yōu)勢(shì)。或許正因?yàn)槿绱?，這些方案都沒能飛上藍(lán)天。

VTVL方案的價(jià)值

就在美俄的國(guó)家航天機(jī)構(gòu)嘗試有翼方案的同時(shí)，一些私營(yíng)企業(yè)也提出了不同的設(shè)計(jì)，比如Kistler公司的 K-1火箭就使用了兩級(jí)入軌完全復(fù)用的方案。K-1的第一級(jí)和第二級(jí)都將使用降落傘減速，其中第一級(jí)靠火箭動(dòng)力推動(dòng)返回發(fā)射場(chǎng)，使用氣囊水平著陸。K-1火箭曾贏得美國(guó)航天局的商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)的研制合同，但由于研制進(jìn)度和資金問題最終出局。X-38驗(yàn)證機(jī)則采用了翼傘空降回收方式。不過從試驗(yàn)看，使用降落傘控制著陸速度存在太多不確定因素，要保證一個(gè)“薄皮”的火箭箭體完好著陸，難度相當(dāng)大。

無(wú)論“貝加爾”助推器、還是K-1火箭第一級(jí)，水平著陸方式都要面對(duì)箭體結(jié)構(gòu)的棘手問題——火箭多數(shù)是垂直飛行的，軸向強(qiáng)度很大，但徑向強(qiáng)度要差得多。那么為什么不考慮垂直著陸呢？其實(shí)早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)就投資研制了DC-X垂直起降試驗(yàn)器，驗(yàn)證運(yùn)載工具的垂直起降技術(shù)。DC-X是單級(jí)入軌的“三角快帆”的1/3縮比試驗(yàn)器，“三角快帆”試圖一步實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用和單級(jí)入軌的新概念，雖然這個(gè)嘗試失敗了，但DC-X卻成為火箭垂直著陸的先驅(qū)者。垂直發(fā)射、垂直降落（VTVL）方案由此進(jìn)入人們的視野。

新興雙雄的嘗試

無(wú)論航天飛機(jī)、空天飛機(jī)還是“三角快帆”都已經(jīng)成為過去，今天熱議運(yùn)載火箭的垂直起飛和降落技術(shù)，主要是因?yàn)楹教祛I(lǐng)域兩家新公司的強(qiáng)勁表現(xiàn)，它們也是美國(guó)“新航天”的代表公司：藍(lán)色起源公司和太空探索技術(shù)公司。

以DC-X的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)為基礎(chǔ)，藍(lán)色起源公司開始研制自己的商業(yè)垂直起降航天器。而太空探索技術(shù)公司為了突破運(yùn)載火箭重復(fù)使用的障礙，也走上了火箭垂直發(fā)射和著陸的道路。

◎“獵鷹九號(hào)”的回收

太空探索技術(shù)公司雖然只有“獵鷹九號(hào)”一種運(yùn)載火箭，但卻以廉價(jià)的特點(diǎn)搶占了國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)，對(duì)傳統(tǒng)的阿里安宇航公司和國(guó)際發(fā)射服務(wù)公司構(gòu)成了巨大的壓力。如果“獵鷹九號(hào)”第一級(jí)能夠重復(fù)使用，將顯著降低火箭的發(fā)射成本，進(jìn)一步增強(qiáng)該公司的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?；鸺闹貜?fù)使用一向難度極大，太空探索技術(shù)公司的研制和試驗(yàn)過程中也遭遇了大量的困難。不過該公司別出心裁地在商業(yè)發(fā)射的同時(shí)，利用分離后的火箭第一級(jí)試驗(yàn)，大大降低了試驗(yàn)開銷，加快了試驗(yàn)的進(jìn)度。最初，該公司選擇了降落傘海上回收的設(shè)計(jì)。但實(shí)踐證明，不對(duì)箭體進(jìn)行速度、彈道和姿態(tài)控制，火箭無(wú)法完整再入大氣層。太空探索技術(shù)公司并不氣餒，又提出了發(fā)動(dòng)機(jī)反推飛回發(fā)射場(chǎng)并垂直降落的設(shè)計(jì)方案。我們很難得知這個(gè)思路是借鑒了航天飛機(jī)的飛回發(fā)射場(chǎng)降落模式，還是更接近K-1火箭飛回發(fā)射場(chǎng)降落模式，抑或是俄羅斯ROSSIYANKA可重復(fù)使用火箭模式。但毫無(wú)疑問的是，太空探索技術(shù)公司的工程師們堅(jiān)持不懈的研究和試驗(yàn)，最終第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭第一級(jí)的飛回垂直降落。

實(shí)現(xiàn)第一級(jí)飛回式垂直降落是一個(gè)直覺上看起來(lái)就很“笨拙”的主意。這種設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，首先就在于運(yùn)力和復(fù)用的矛盾?；鸺痫w的時(shí)候，需要攜帶足夠數(shù)量的燃料用于返回，這等于減少了火箭的運(yùn)載能力。前面提到的飛回式復(fù)用方案不厭其煩地采用機(jī)翼和航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，就是為了降低對(duì)運(yùn)力的影響。而“獵鷹九號(hào)”火箭之所以敢于采用飛回式設(shè)計(jì)，恰恰是因?yàn)樗钠渌Y(jié)構(gòu)重量很小。早期就有說(shuō)法稱“獵鷹九號(hào)”第一級(jí)質(zhì)量比（燃料和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比值）高達(dá)20。而后來(lái)公司總裁艾倫·馬斯克更是表示，去掉第二級(jí)和衛(wèi)星后第一級(jí)可以實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌，那么質(zhì)量比恐怕已經(jīng)達(dá)到了25甚至更高。這么高的質(zhì)量比，一方面要求從儲(chǔ)箱到儀器艙的全方位減重，另一方面要求發(fā)動(dòng)機(jī)也具有高推重比?！矮C鷹九號(hào)”火箭現(xiàn)在使用的Merlin 1D液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推重比超過150，是世界上同類產(chǎn)品中推重比最高的。正是因?yàn)檫@種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，“獵鷹九號(hào)”火箭才能在不過分影響運(yùn)力的情況下實(shí)現(xiàn)飛回發(fā)射場(chǎng)并垂直著陸。

馬斯克表示，如果一二級(jí)分離速度在5000千米/小時(shí)，可以飛回著陸；如果是8000千米/小時(shí)。就只能去海上移動(dòng)回收平臺(tái)著陸了，否則會(huì)更嚴(yán)重地影響運(yùn)力。那么現(xiàn)有情況下運(yùn)力損失了多少呢？根據(jù)獨(dú)立第三方 SpaceWorks公司的模擬，如果“獵鷹九號(hào)”第一級(jí)質(zhì)量比為14的話，飛回發(fā)射場(chǎng)垂直降落將損失大約40%的入軌運(yùn)力。而太空探索技術(shù)公司稱飛回著陸會(huì)損失30%的運(yùn)力。顯然都在可以接受的范圍內(nèi)。

飛回式垂直著陸還要解決再入大氣層的問題。運(yùn)載火箭都是“薄皮大餡”，由推進(jìn)劑儲(chǔ)箱組成的殼體十分脆弱?！矮C鷹九號(hào)”火箭的再入速度達(dá)到馬赫數(shù)6，防熱問題還不算大，氣動(dòng)過載則是真正的攔路虎了?！矮C鷹九號(hào)”最早的兩次再入試驗(yàn)中，火箭第一級(jí)都空中解體。世界上其他液體運(yùn)載火箭的再入速度更高，幾乎沒有出現(xiàn)過第一級(jí)完整落地的例子。太空探索技術(shù)公司為此提出了新的方案，通過發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)控制系統(tǒng)的噴射來(lái)主動(dòng)控制：第一級(jí)分離后發(fā)動(dòng)機(jī)首先進(jìn)行助推返回點(diǎn)火工作，抵消火箭水平方向的速度并將火箭推向發(fā)射場(chǎng)方向；再入大氣層的過程中再點(diǎn)火減速，同時(shí)靠氮?dú)鈬娚溲b置控制箭體姿態(tài)，以此解決再入大氣層的難關(guān)。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高空再入點(diǎn)火是此前從未有人涉足的領(lǐng)域，人們并不清楚高空高超音速的迎面氣流下，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作到底會(huì)發(fā)生什么。而且部分噴流會(huì)被氣流反向推發(fā)動(dòng)機(jī)，也帶來(lái)了包括防熱在內(nèi)的新挑戰(zhàn)。不過在實(shí)際操作中，太空探索技術(shù)公司通過一次試驗(yàn)就成功突破了高空點(diǎn)火技術(shù)，姿控系統(tǒng)的表現(xiàn)也相當(dāng)出色。

最麻煩的當(dāng)然是最后垂直著陸階段。一個(gè)細(xì)長(zhǎng)而龐大、基本耗光了推進(jìn)劑的箭體，在有風(fēng)條件下垂直、安穩(wěn)地降落，實(shí)在不太好控制?！矮C鷹九號(hào)”第一級(jí)有9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，各有一定的節(jié)流能力，可以啟動(dòng)3臺(tái)或1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。最后著陸時(shí)只需要中央的1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火反推，從而降低了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流的壓力，可以說(shuō)先天適合反推著陸設(shè)計(jì)。該公司還先后研制了“蚱蜢”和F9R兩種試驗(yàn)器，用來(lái)驗(yàn)證火箭第一級(jí)的垂直降落技術(shù)。這兩種試驗(yàn)器最高飛到1000米高空，并曾在有較強(qiáng)橫風(fēng)的條件下控制姿態(tài)并成功著陸，為“獵鷹九號(hào)”第一級(jí)的實(shí)際著陸試驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。在海上浮動(dòng)平臺(tái)降落試驗(yàn)以失敗告終后，太空探索技術(shù)公司根據(jù)暴露的問題反復(fù)修改設(shè)計(jì)，最終于2015年12月22日垂直著陸成功，創(chuàng)造了人類運(yùn)載火箭飛回著陸回收的第一次。

◎“新謝潑德”飛行器

其實(shí)藍(lán)色起源公司才是第一個(gè)做到火箭垂直發(fā)射和著陸的公司，我們之所以把它放在后面討論，是因?yàn)檫@家公司的“新謝潑德”其實(shí)不是真正意義上的運(yùn)載火箭，回收難度要比太空探索技術(shù)公司小得多。

“新謝潑德”主要用于亞軌道旅游，也就是說(shuō)不會(huì)進(jìn)行真正的軌道飛行。因此“新謝潑德”設(shè)計(jì)上和“獵鷹九號(hào)”截然不同。“新謝潑德”使用氫氧推進(jìn)劑的BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)，地面推力約500千牛，可以節(jié)流到20%仍正常工作。“新謝潑德”的最大高度和速度都只有“獵鷹九號(hào)”第一級(jí)的約一半，加上它幾乎沒有水平飛行速度，也就無(wú)需考慮復(fù)雜的助推返回點(diǎn)火和再入點(diǎn)火，只需要在低空點(diǎn)火準(zhǔn)備著陸?？偟恼f(shuō)來(lái)，“新謝潑德”的技術(shù)水平和難度都比“獵鷹九號(hào)”第一級(jí)的返回低得多，卻先拔頭籌，第一個(gè)飛躍了卡門線（空氣空間與宇宙空間的分界線，距地面100千米）并返回地面，力壓“獵鷹九號(hào)”一頭。2015年11月23日的首次成功試驗(yàn)中，“新謝潑德”飛到了100.5千米高空，最高速度馬赫數(shù)3.72。2016年1月22日這枚“新謝潑德”再次發(fā)射升空，飛到101.7千米高空并再次返回。即使飛行難度較低，這種突破仍然具有里程碑意義。

“新謝潑德”和“獵鷹九號(hào)”的著陸回收成功，為人類帶來(lái)了以較低成本進(jìn)入太空的一線曙光，這是垂直發(fā)射和著陸技術(shù)最具價(jià)值的成果?！靶轮x潑德”將在多次試驗(yàn)后投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，執(zhí)行常態(tài)化的亞軌道旅游飛行。如果順利的話，說(shuō)不定每個(gè)星期甚至每天都能看到它發(fā)射的身影?！矮C鷹九號(hào)”火箭主要用于軌道發(fā)射，這是一個(gè)中短期內(nèi)不會(huì)有多大發(fā)展的市場(chǎng)。但如果可以通過這種復(fù)用方式有效降低成本，將對(duì)人類開發(fā)利用外太空有著不可估量的價(jià)值。