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撰文 | 程亦之（宇航科普作家）

責(zé)編 | 邸利會(huì)

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短短6年工夫，100次的回收，這一數(shù)字甚至超過(guò)了全球現(xiàn)役絕大多數(shù)單款火箭的發(fā)射次數(shù)；而平均每22天成功回收一次火箭，比全球現(xiàn)役絕大多數(shù)火箭發(fā)射節(jié)奏都要快得多。

憑借獨(dú)一無(wú)二的火箭回收、復(fù)用技術(shù)與運(yùn)營(yíng)，SpaceX刷新一連串航天產(chǎn)業(yè)紀(jì)錄——

● 截至2021年底，重復(fù)使用78次回收型火箭；

● 領(lǐng)先實(shí)現(xiàn)火箭飛船全復(fù)用模式執(zhí)行載人航天（Crew-2任務(wù)）；

● 突破性實(shí)現(xiàn)一箭11次飛行11次回收（一級(jí)火箭編號(hào)B1051.11）；

SpaceX這家私營(yíng)發(fā)射商一躍成為全球太空快遞一哥，震驚了世界，改變了行業(yè)。如今，火箭復(fù)用這一硬核技術(shù)已經(jīng)撼動(dòng)了整個(gè)航天發(fā)射界，讓其他發(fā)射商垂涎三尺，如果不是望塵莫及，就得趕緊奮起直追……

圖2 2018年2月6日全球現(xiàn)役最強(qiáng)火箭重型獵鷹首飛，兩枚側(cè)翼火箭同步回收降落在著陸區(qū) | 圖源：Official SpaceX Photos

如果說(shuō)火箭是人類(lèi)征服太空的通天塔，那么復(fù)用火箭曾是幾近科幻級(jí)別的太空夢(mèng)想。早在20世紀(jì)60年代后期，宇航先驅(qū)者們就開(kāi)始構(gòu)想完全可重復(fù)使用的太空發(fā)射系統(tǒng)。

既然航空航天不分家，人們很自然首先想到借鑒航空工業(yè)——制造一種類(lèi)似飛機(jī)的可多次復(fù)用的航天運(yùn)載器，成了最直接的反應(yīng)，十多年后誕生的美國(guó)航天飛機(jī)、蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)都是這種想法的產(chǎn)物。

然而想法很美好，現(xiàn)實(shí)很殘酷。研制、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用太高，試圖通過(guò)更高的發(fā)射頻次，分?jǐn)偨档桶l(fā)射成本的想法也過(guò)于樂(lè)觀，航天飛機(jī)最終并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)降低發(fā)射費(fèi)用的目標(biāo)。

由于每次發(fā)射成本高達(dá)5億美元，且發(fā)射越多，花費(fèi)越大，蘇聯(lián)的航天飛機(jī)僅小飛過(guò)一次，美國(guó)盡管飛過(guò)135次，但遭受了兩次災(zāi)難性事故，最終不得不退出歷史的天空，成為復(fù)用航天史上的絕唱。

隨著航天飛機(jī)各種問(wèn)題不斷暴露出來(lái)，NASA開(kāi)始論證第二代航天飛機(jī)和空天飛機(jī)，著名的美國(guó)國(guó)家空天飛機(jī)（NASP）、 三角快帆（DC-X）呼之欲出。

美國(guó)國(guó)家空天飛機(jī)采用水平起降、單級(jí)入軌的技術(shù)路線，更接近飛機(jī)的思路，但技術(shù)難度實(shí)在太大，單級(jí)入軌過(guò)于理想；三角快帆雖然長(zhǎng)相怪異，不過(guò)在設(shè)計(jì)上更接近于垂直著陸火箭（VTVL），因此測(cè)試之路走得更遠(yuǎn)。

盡管三角快帆和空天飛機(jī)兩個(gè)項(xiàng)目，由于種種原因最終半途而廢，不過(guò)三角快帆作為探路者的有益探索，為日后的獵鷹火箭回收開(kāi)辟了新路徑。

當(dāng)然，SpaceX也不是一開(kāi)始就直得要領(lǐng)的。

早在2010年～2013年，1.0版獵鷹9號(hào)經(jīng)過(guò)幾次試水證明：降落傘式回收是個(gè)坑——采用降落傘式回收，箭體、降落傘很容易在再入大氣時(shí)被摧毀、失控。

反而是，同一時(shí)期并行測(cè)試的蚱蜢原型機(jī)，卻能夠不斷突破，最終演進(jìn)成為獵鷹9號(hào)回收型火箭。直到2015年12月21日，夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，SpaceX創(chuàng)下全球首次軌道發(fā)射火箭陸地回收的壯舉。

耐人尋味的是，當(dāng)年藍(lán)色起源比SpaceX整整早1個(gè)月實(shí)現(xiàn)火箭回收，只不過(guò)新謝潑德火箭屬于亞軌道試飛，且至今依然保持這一 “龜速” 狀態(tài)。而獵鷹9號(hào)成功回收的同時(shí)，承運(yùn)的卻是SpaceX第20次商業(yè)發(fā)射，一箭11星部署Orbcomm物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星。兩者起跳點(diǎn)從一開(kāi)始就不在同一個(gè)層級(jí)。

此外，當(dāng)年跟SpaceX一同競(jìng)爭(zhēng)NASA貨運(yùn)補(bǔ)給訂單的基斯特勒公司（Rocketplane Kistler），更早起步研發(fā)一款全復(fù)用火箭，代號(hào)K-1。設(shè)計(jì)回收思路：第一級(jí)采用氣囊緩沖方式著陸。但這家公司卻很短命，很快于2010年破產(chǎn)。

作為老牌航天強(qiáng)國(guó)的俄羅斯，盡管兜里沒(méi)錢(qián)但不乏創(chuàng)意。

早在2007年，馬克耶夫設(shè)計(jì)局就曾提出過(guò)一款類(lèi)似獵鷹9號(hào)的垂直著陸回收火箭（VTVL），代號(hào)ROSSIYANKA，比2011年SpaceX公布的蚱蜢原型機(jī)足足早了4年。只可惜俄航天局有眼無(wú)珠，以技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)太大為由，最終扼殺了開(kāi)發(fā)念頭。

圖3 2020年11月22日發(fā)射Sentinel 6，這枚編號(hào)B1063.1的嶄新火箭從加州范登堡發(fā)射場(chǎng)升空，幾分鐘后降落在不遠(yuǎn)處的陸地著陸區(qū) | 圖源：Official SpaceX Photos

SpaceX之所以最終打通復(fù)用火箭路徑，是諸多因素交互作用的結(jié)果。

首先不可或缺的是主因。SpaceX擁有一位不怕失敗的靈魂人物。

馬斯克親口說(shuō)過(guò)的金句——“失敗越多，就越可能接近成功。如果失敗得不夠多，說(shuō)明你還不夠創(chuàng)新。” 面對(duì)垂直著陸回收火箭這類(lèi)科幻般的技術(shù)攻關(guān)，如果沒(méi)有主導(dǎo)者異常強(qiáng)大的抗壓性、承受力，很難笑到最后。

反觀電商出身的貝佐斯，換到太空界卻變得非常保守，不斷告誡研發(fā)團(tuán)隊(duì)：“這是一場(chǎng)比賽，我希望是太空史上最安全的發(fā)射系統(tǒng)?！?于是烏龜成了藍(lán)色起源的吉祥物，凸顯出貝佐斯的 “龜速” 信條：你只有一次一步，才能更快到達(dá)。

至于那幫老牌航天公司，無(wú)論是航天巨頭還是國(guó)家隊(duì)更是不敢當(dāng)先，或者受困于體制，或者被既得利益或者成就所綁架、拖累，哪有銳氣和魄力去敢挑戰(zhàn)技術(shù)創(chuàng)新？有的也只是亦步亦趨、跟著抄作業(yè)。

此外，SpaceX創(chuàng)新力與執(zhí)行力恰好匹配，最終才能把看似科幻級(jí)的垂直著陸回收火箭變成現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)初NASA設(shè)計(jì)復(fù)用發(fā)射系統(tǒng)時(shí)，假設(shè)的限制條件是 “火箭的回歸需要靠空氣動(dòng)力學(xué)的升力”，于是催生了外形類(lèi)似飛機(jī)的航天飛機(jī)。可是機(jī)翼巨大而沉重，空氣動(dòng)力學(xué)的升力大小，又得視機(jī)翼尺寸而定。機(jī)翼越大，雖然升力也越大，但在發(fā)射時(shí)也會(huì)增加重量、體積、阻力。

考量到這些限制后，航天飛機(jī)發(fā)射系統(tǒng)最終被設(shè)計(jì)成一個(gè)不倫不類(lèi)的折衷方案——配有一個(gè)附加在外的巨大油箱，而且只能使用一次，航天飛機(jī)本身的滑翔能力也是相當(dāng)有限。

相反，SpaceX徹底改變了設(shè)計(jì)思路：不再考慮什么空氣動(dòng)力學(xué)的升力了，就靠火箭本身動(dòng)力。

其大膽之處在于需要重新點(diǎn)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，挑戰(zhàn)在于必須預(yù)留足夠燃料，來(lái)減緩火箭降速（燃料也很重，還不能保留太多），還得依靠精湛的控制系統(tǒng)，以便穩(wěn)定著陸過(guò)程。

一旦敲定整體設(shè)計(jì)思路，剩下來(lái)就是百折不撓的執(zhí)行力、各個(gè)擊破的創(chuàng)新力，最終得以實(shí)現(xiàn)敢為天下先的垂直著陸回收模式。

其實(shí)，SpaceX不管是垂直整合、技術(shù)創(chuàng)新、低價(jià)高效、成本管控，還是卓越的創(chuàng)新力加上罕見(jiàn)的執(zhí)行力，早已被一遍遍反復(fù)檢驗(yàn)過(guò)，因此才會(huì)成就如今太空領(lǐng)域的大贏家。

圖4 2021年6月17日發(fā)射GPS III SV05，一枚編號(hào)B1062.2的二手火箭即將落在海上回收平臺(tái)上 | 圖源：Official SpaceX Photos

由SpaceX開(kāi)創(chuàng)的一級(jí)火箭回收復(fù)用模式，從最初被業(yè)界所不齒，到如今被效仿，短短幾年工夫徹底改寫(xiě)了全球航天發(fā)射領(lǐng)域的市場(chǎng)格局和發(fā)展趨勢(shì)。

2020年底成功首飛的長(zhǎng)征八號(hào)，升級(jí)版CZ-8R作為國(guó)家隊(duì)首款目標(biāo)回收火箭正在研制中，計(jì)劃2025年左右首度回收；

首次挑戰(zhàn)入軌發(fā)射未果的藍(lán)箭航天（Landspace），正在研制朱雀二號(hào)甲烷液氧火箭，計(jì)劃第一級(jí)采用垂直著陸回收技術(shù)；

中國(guó)民營(yíng)商業(yè)航天首次成功發(fā)射入軌的星際榮耀（iSpace）正在開(kāi)發(fā)的雙曲線二號(hào)火箭，目標(biāo)也是實(shí)現(xiàn)垂直著陸回收；

星河動(dòng)力（Galactic Energy）研制的帕拉斯一號(hào)火箭，設(shè)計(jì)目標(biāo)也將實(shí)現(xiàn)多次復(fù)用，現(xiàn)計(jì)劃2022年下半年試飛；

美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室（Rocket Lab）發(fā)布的中子火箭，采用一級(jí)火箭+整流罩一體化垂直回收模式，瞄準(zhǔn)2024年首飛；

藍(lán)色起源（Blue Origin）試圖打造新一代復(fù)用型火箭新格倫；

聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）希望通過(guò)火神火箭進(jìn)入復(fù)用航天俱樂(lè)部；

相對(duì)論太空（Relativity Space）正在研制的人族R（Terran R），同樣瞄準(zhǔn)垂直回收復(fù)用能力；

俄羅斯航天局（Roscosmos）試圖把阿穆?tīng)柣鸺?/span>（Amur）打造成復(fù)用回收型火箭；

歐空局（ESA）寄希望于忒彌斯（Themis）成為復(fù)用火箭；

印度空間研究組織（ISRO）期待自家下一代火箭RLV TSTO有朝一日實(shí)現(xiàn)回收…… 

不過(guò)，縱觀全球，不管是國(guó)家隊(duì)還是老牌勁旅，即便從眼下開(kāi)始算起，最起碼至少也得5～10年才能初步掌握回收/復(fù)用火箭技術(shù)。

到那時(shí)，一路遙遙領(lǐng)先的太空一哥SpaceX，已經(jīng)成為地球軌道圈的 “價(jià)格屠夫”，更可能成為深空界道高一丈的 “世外高人”——

SpaceX完全有能力駕馭新一代快速全復(fù)用太空運(yùn)輸系統(tǒng)——星艦（Starship）；嫻熟執(zhí)掌超重型火箭、星艦飛船的完全復(fù)用技術(shù)；在地球空間編織點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的全球一小時(shí)交通網(wǎng)；在地月軌道構(gòu)建繁忙的載人月球航班；在地火之間打造定期的火星運(yùn)輸線……

這一切不再是航天白日夢(mèng)，也不再是馬斯克的個(gè)人夢(mèng)想，而是人類(lèi)跨出母星搖籃，構(gòu)建跨星球文明，開(kāi)啟大航天時(shí)代的現(xiàn)實(shí)寫(xiě)照。

這一切都基于最初的復(fù)用火箭路徑，未來(lái)的快速全復(fù)用模式。

 背景知識(shí) 

 回收火箭到底有多難？

 

如果把獵鷹9號(hào)回收火箭比作一支鉛筆，從發(fā)射到返回的技術(shù)難度，相當(dāng)于讓這支鉛筆飛過(guò)帝國(guó)大廈頭頂（103層，超過(guò)450米），然后再精準(zhǔn)落到一個(gè)只有鞋盒大小的著陸點(diǎn)！

 

真實(shí)版的獵鷹一級(jí)火箭返航著陸階段，質(zhì)量約為27噸，箭高40米，相當(dāng)于13層樓那么高，從80公里亞軌道飛回地球，經(jīng)過(guò)3次發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火反推減速，從5倍客機(jī)速度降到客機(jī)巡航速度，再降到高鐵速度，最終降至成人快走速度，這樣一個(gè)圓柱體大家伙完全依靠全自動(dòng)化從天而降，直至精準(zhǔn)著陸。

獵鷹火箭是為了太空快遞、軌道運(yùn)輸而生，采用兩級(jí)火箭推進(jìn)模式，一級(jí)火箭可以產(chǎn)生最大推力170萬(wàn)磅（770噸），通常能夠飛到80公里高度，再由二級(jí)火箭接力推進(jìn)，最終運(yùn)送有效載荷進(jìn)入預(yù)定軌道。

 

這期間，獵鷹9號(hào)一級(jí)火箭需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜翻轉(zhuǎn)操作，才能垂直降落在陸地著陸場(chǎng)或者海上回收平臺(tái)。

 

一級(jí)火箭垂直回收過(guò)程包括：

 

? 兩級(jí)分離——一般在80公里高度的亞軌道，一二級(jí)火箭分離，一級(jí)火箭降落滑行。

? 翻轉(zhuǎn)——利用液氮噴氣推進(jìn)器進(jìn)行飛行方向翻轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)一端朝向地球。

? 反推力——此時(shí)速度高達(dá)每小時(shí)4800公里（相當(dāng)于普通客機(jī)巡航速度5倍多，接近4馬赫），啟動(dòng)3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，反推力減速。

? 展開(kāi)柵格翼——減速到900公里/小時(shí)（相當(dāng)于普通客機(jī)巡航速度），關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，柵格翼展開(kāi)，利用升力減速、箭體姿態(tài)調(diào)整。

? 第二次點(diǎn)火——降速再次加速時(shí)，啟動(dòng)中心發(fā)動(dòng)機(jī)，直到減速降落，再次關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

? 轉(zhuǎn)動(dòng)?xùn)鸥褚怼脰鸥褚懋a(chǎn)生升力，調(diào)整飛行姿態(tài)。

? 第三次點(diǎn)火——距離著陸大約1公里時(shí)，一級(jí)火箭降落速度達(dá)到378公里/小時(shí)（相當(dāng)于高鐵時(shí)速），第三次也是最后一次點(diǎn)火反推，啟動(dòng)中心發(fā)動(dòng)機(jī)，減速到8公里/小時(shí)（相當(dāng)于成人快走的速度），展開(kāi)著陸架，同時(shí)利用液氮推進(jìn)器+柵格翼進(jìn)行姿態(tài)微調(diào)。

? 垂直著陸——當(dāng)發(fā)射升空大約8分鐘左右，一級(jí)火箭實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)著陸。海上回收平臺(tái)面積相當(dāng)于美式足球場(chǎng)大小，比標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)小一號(hào)。

 

 復(fù)用火箭有多難？

 

回收火箭只是路徑，不是目的，重復(fù)使用才是目的。

 

SpaceX如何才能復(fù)用火箭？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)分為如下七步：

 

? 一級(jí)火箭實(shí)現(xiàn)軟著陸、整流罩安全回收（整流罩受控海面濺落打撈回收；二級(jí)火箭目前不能回收復(fù)用）；

? 陸路運(yùn)輸至德州麥格雷戈火箭測(cè)試基地進(jìn)行復(fù)查、翻新、測(cè)試；

? 對(duì)9臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行脫油清理，采用煤油+液氧作為推進(jìn)劑的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)不可避免地產(chǎn)生老毛?。悍e碳問(wèn)題，需要耗時(shí)耗力拆裝渦輪機(jī)才能徹底清理干凈；

? 需要對(duì)箭體本身、燃料罐/液氧罐、柵格翼、著陸腿、整流罩等硬件進(jìn)行全面檢查，包括X射線復(fù)檢，試圖發(fā)現(xiàn)潛在裂縫或者其他異常；

? 重新裝配一級(jí)火箭，執(zhí)行靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試；

? 由火箭測(cè)試基地再次運(yùn)抵發(fā)射場(chǎng)，一二級(jí)火箭+整流罩/有效載荷進(jìn)行水平整合；

? 發(fā)射前執(zhí)行一系列復(fù)檢，視情況而定是否執(zhí)行發(fā)射臺(tái)靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試。事實(shí)上每次試射都會(huì)不可避免地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損耗，之后整裝待發(fā)，瞄準(zhǔn)再度發(fā)射升空。