為實現廉價航天SpaceX豁出去了

賀濤

將14層樓高的一級火箭引導到足球場大小的一艘駁船上，就像“在狂風中讓一根掃帚平穩地直立在手掌上”。盡管如此，為實現廉價往返太空的目標，航天公司還是在一次又一次試驗可行性

“獵鷹9號”火箭發射現場

2016年，美國太空探索技術公司（SpaceX）計劃成功回收一級火箭，并將首次把回收的火箭再次發射。3月9日，SpaceX總裁格溫·肖特維爾（Gwynne Shotwell）在美國馬里蘭州舉行的“衛星2016”會議上作上述表示。

可在此前五天，SpaceX公司剛剛在一次一級火箭的海上回收中遭遇敗績。當“獵鷹9號”火箭成功將SES9通信衛星送入太空的同時，一級火箭分離后執行海上回收的命令，但最終沒有準確降落在駁船中心，箭體在甲板上硬著陸，回收任務失敗。

這是自2015年1月，SpaceX第一次真正開始火箭回收試驗以來，第四次海上回收失敗。

SpaceX首席執行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）隨后在其推特上表示，“并沒期待這次能夠成功，不過下次著陸應該是個很好的機會?！备鶕paceX公布的數據，今年還有16次發射任務。

對于火箭重復使用的探索，SpaceX屢敗屢戰。這跟馬斯克的創新激情分不開，這個全球科技圈中最特立獨行的人物，一直以來的態度就是要做那些能夠改造世界的項目，他執掌的電動汽車生產商特斯拉，被認為代表著汽車業發展的光明未來;SpaceX則已在商業航天領域具有很強競爭力，美國航空航天局（NASA）已經批準SpaceX可以執行絕大多數航天任務。

更深層的原因在于，火箭重復使用技術是開啟廉價太空探索時代的一把鑰匙。先得者將改寫商業航天市場的版圖。但這條技術開創之路，必然密布荊棘，充滿不確定性。

太空探索太貴了

航天發射可以說是世界上最昂貴的人類活動。長久以來，太空探索的成本居高不下?！秶H太空雜志》執行主編龐之浩稱，發送1公斤的物質上天，需要花費的成本約為1萬-2萬美元，這大大影響了人類開發太空的規模和效益。

盡管SpaceX以發射價格低廉而聞名，其主力“獵鷹9號”火箭的單次發射費用也在5000萬美元以上。SpaceX之所以要攻克火箭回收難關，主要目的是進一步降低航天發射成本。

目前，運載火箭都是一次性使用的。這正是發射費用昂貴的根本原因，像火箭的箭體、發動機、導航制導控制等設備，是成本的絕對大頭，發射燃料費用則僅僅是一個零頭。如果火箭可重復使用，顯然可以大幅度降低發射成本。

具體到“獵鷹9號”火箭，馬斯克曾表示，通過重復使用，理論上可以將成本降低為現在的1%。他更放出豪言，如果火箭發射報價不能降低為現在的1/20，他的努力就算失敗了。

可重復使用運載工具并非馬斯克首創。幾十年來，各國航天機構在該領域投入巨資研發，主攻三種回收方案，降落傘式垂直下降、動力反推垂直降落以及給火箭安裝“翅膀”的方式。

降落傘垂直下降方案，是在火箭返回地球大氣層后，在低空采用降落傘減速，最后打開氣囊或用緩沖發動機著陸。這一方案已廣泛應用于載人航天回收飛船返回艙和返回式衛星，但還沒有重復使用案例。

中國運載火箭技術研究院在2015年11月下旬，成功完成了運載火箭子級回收群傘空投試驗。一位接近中國運載火箭技術研究院的航天專家告訴《財經》記者，“目前只是技術驗證試驗，整體上行不行還不知道?！?/p>

SpaceX采取了動力反推垂直下降方案，一級火箭返回后，在低空采用發動機反推減速，以垂直下降方式降落地面。

第三種方案是滑翔飛行水平降落方案，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭像飛機一樣水平降落返回地面。航天飛機正是這一方案的產物。20世紀70年代初，科學家、工程師，乃至媒體和公眾都曾指望航天飛機通過重復使用，開啟廉價遨游太空的時代。美國曾發射過135架次航天飛機，成功回收133架次，前蘇聯也回收過1次。

按照NASA的設想，通過航天飛機軌道器和固體助推器的重復使用，可以將航天飛機的單次發射費用降至3000萬美元，這只有現在“獵鷹9號”火箭發射報價的一半。但在投入使用后，人們尷尬地發現，航天飛機兩個固體助推器采用了降落傘減速、海上濺落、打撈回收的方式，這是一個復雜又高成本的過程，而每次飛行回來后要耗費巨資維修才能重新上天，這樣每次發射費用高達4億美元以上，這比一次性的運載火箭還要貴，加上“挑戰者號”事故，航天飛機不得不在2011年宣布退役。

中國航天科工集團第二研究院研究員楊宇光曾撰文分析，航天飛機的錯誤在于將載人與運貨合二為一。

載人，對航天飛機的可靠性要求更嚴苛，但貨運功能運載工具則沒必要如此嚴苛，制造成本會低很多。重達100噸的航天飛機，貨運能力只有29噸，一方面是由于承載航天員本身所付出的代價，另一方面是載人航天器對可靠性和冗余度的高要求造成的。

楊宇光認為，SpaceX采取主動減速、垂直降落的方式就是為了規避航天飛機助推器回收過程所帶來的復雜性和高成本。如果“獵鷹9號”實現了可重復使用，完全可以在載人或裝運高價值物品時，使用新制造的火箭;而普通貨運發射時，使用回收后再利用的箭體。

歐洲航天界普遍認為，“獵鷹9號”火箭實現干凈利落地著陸回收后，要保持高密度發射，對用過的火箭級進行整修才是最難的。

事實證明，“獵鷹9號”重復使用的維修成本也許不算高。在那次成功回收后，這枚從太空返回的火箭只有極小的磨損。在檢查完三天后，SpaceX沒有對回收火箭進行全面整修，就把它重新放在測試臺上，點火成功。

目前，很難精確確定回收火箭會降低多少發射費用，肖特維爾估計數值是，一級火箭燃料費用不到100萬美元，而一級火箭回收后整修開支約300萬美元，這樣一來，可將回收后再發射的總成本降低約30%，大概在4000萬美元。而且多次復用還能更便宜。

整體看，盡管挫折不斷，采用可重復使用終是降低成本的必經之路，至于哪種航天發射技術途徑更合理，尚不能定論，都在測試中。

回收技術關口

“在狂風中讓一根掃帚平穩地直立在手掌上”。這是對“獵鷹9號”回收過程的形象比喻。

“獵鷹9號”火箭的回收方式設計為海上平臺和陸上兩種，這避免了海水對發動機和箭體的侵蝕，回收后的維護相對簡單，這個選擇有利于成本控制。

當“獵鷹9號”的一、二級火箭分離后，一級火箭返回地球的過程中，通常需要發動機進行二次點火制動，讓一級火箭減速并調整姿態。當火箭再入大氣層、速度降至每秒大約250米時，箭體上張開四個液壓驅動的柵格翼，增強穩定性，當箭體下墜接近著陸時，發動機第三次點火制動，這時四條長達21米的碳素纖維及蜂窩鋁合金著陸腿展開。整個過程通過GPS衛星制導來協助控制火箭朝著陸地點降落，最終著地精度在10米以內。

“回收火箭的技術太復雜了?！饼嬛聘嬖V《財經》記者，這要求火箭精確降落在回收平臺時，還要保持垂直姿態。此外，要讓火箭實現軟著陸，其緩沖發動機的推力要實現精準控制。

至少在一開始，SpaceX沒有選擇這條技術路線。SpaceX最早試圖使用降落傘海上回收箭體，打撈后運回重復使用。遺憾的是，前兩次發射中，這種著陸方式都以失敗告終，火箭第一級再入大氣層后便失去聯系。分析認為，無控再入大氣層的設計不可行，火箭第一級還未減速降低到降落傘開傘的速度和高度，就已經被撕碎解體了。SpaceX后來決定，為“獵鷹9號”火箭第一級增加冷氣噴射的姿態控制系統維持再入姿態，在海上回收時，將14層樓高的一級火箭引導到足球場大小的一艘駁船上，受控垂直降落。

走這條技術路徑，首先要控制火箭姿態和落點精度技術?；鸺诜祷剡^程中，需要對其姿態不斷進行控制，像火箭這樣細高的形狀，控制其姿態非常困難，要使細長的箭體垂直精確著陸在指定地點就更難了。

其次，在一級火箭返回的不同高度，火箭質量會隨著燃料的快速消耗而明顯減小，因此，反推發動機需要采用不同大小的推力，以實現軟著陸。著陸支架技術也是關鍵，在火箭回收過程中，必須使用著陸支架來減緩著陸時的沖擊過載，使火箭穩定著陸。

從四次失敗的海上回收試驗看，上述技術似乎還不成熟。然而，當著陸場轉換到陸地上，奇跡發生了。2015年12月21日，“獵鷹9號”在成功發射Orbcomm電信公司的11顆通信衛星后，一級火箭成功實現陸上回收。這是人類歷史上首次在載荷發射到太空之后，火箭成功軟著陸返回地球。

SpaceX的競爭對手——美國藍色起源（Blue Origin），是另一家盯著廉價航天發射商機的私營太空公司，它的新謝潑德飛行器（New Shepard）也實現了火箭從太空返回的軟著陸，時間是2015年11月23日，比SpaceX那次成功的陸上回收還早了近一個月。藍色起源的老板，也就是亞馬遜公司創始人杰夫·貝索斯（Jeff Bezos）看中的是另一個市場，新謝潑德飛行器將首先服務于亞軌道太空旅游，最終實現廉價往返太空的目標。

不過，與“獵鷹9號”相比，新謝潑德飛行器只能進行亞軌道飛行，沒有能力將航天器發射入軌;其最高飛行速度僅有3.72馬赫，而“獵鷹9號”的第一級分離速度為6馬赫-7馬赫。所以在技術實現難度上，藍色起源的火箭回收低于SpaceX。

龐之浩分析，陸地回收場面積大，回收精度要求降低，而且陸地穩定不晃動，氣象條件更好，能明顯降低回收難度。

為何執著于海上回收？

值得注意的是，新謝潑德有兩次成功回收火箭，加上SpaceX的一例，三例都是在陸地上實現的。既然陸上回收有多個成功的先例，SpaceX為何還在2016年1月和3月的兩次發射中，依然堅持采用技術難度更大的海上回收呢？

SpaceX是迫于無奈。由于發射場的地理位置在美國東部海岸，大部分運載火箭都需要從東部海岸向東發射，運載火箭各子級在完成使命并分離后，由于慣性會繼續向前向上運動，最終會落到距離發射點很遠的大西洋某處。因此，最節省推進劑的回收方式就是將回收平臺搭建在火箭子級的自然落點附近。

在陸上回收中，一級火箭的飛行軌跡截然不同?！矮C鷹9號”那次成功回收中，火箭是從佛羅里達州卡納維拉爾角的40號發射場升空，當一級火箭與二級火箭分離后，進行了一系列翻轉和機動，最后返回了佛羅里達海岸的航天中心，與發射臺相距不到10公里。

顯然，由于陸上回收的路徑太長了，一級火箭的陸上回收，需要耗費大量燃料，從而增加成本。只有當運載火箭所承載的載荷比其最大運載能力小很多時，一級火箭中剩余的推進劑又足夠多，才可以在一級火箭分離后使用較多的推進劑改變其速度和方向，從而能夠返回發射場附近，采用陸地回收。

陸上回收要考慮更多的地面因素，尤其是著陸失敗可能給著陸區域造成的損害。因此，陸上回收需要事先取得美國聯邦航空管理局和美國空軍的批準。

SpaceX副總裁萊·羅森（Lee Rosen）曾經提出，在美國得克薩斯州建立發射場的想法，這樣就可以在佛羅里達州陸地上回收火箭。然而，這一方案面臨著不利因素。佛羅里達州由于人口稠密，且南北方向長度有限，不是理想的降落地點，不能滿足發射場對多射向的基本要求，而只能滿足特定的發射任務;對于一些高傾角的發射任務，一級火箭的自然落地點就會超出佛羅里達范圍，又要掉到海里去了。

楊宇光認為，如果SpaceX能在澳大利亞西海岸建立商業航天發射場，一級火箭的回收地點就可以選在地廣人稀，且較為平坦的澳大利亞內陸，這也可以在很大范圍內滿足不同軌道類型對發射方向的要求。

對此，SpaceX有顧慮。國際宇航聯空間運輸委員會的一位秘書告訴《財經》記者，SpaceX不想在澳大利亞選址，可能是顧慮管理方面的問題，畢竟得克薩斯位于母國，出現問題便于及時解決。

從長遠考慮，澳大利亞是個合適的發射場所，也許隨著廉價太空探索技術的成熟，各國之間通過國際合作來達成此事。2016年，SpaceX是否能夠順利完成前述目標，還需拭目以待。