火箭復(fù)用的顛覆式創(chuàng)新，SpaceX如何做到的？
2021年6月17日，獵鷹9號發(fā)射的GPS III SV05 | 圖源：NASA
12月21日，是一個刻寫了多個航天標(biāo)志性事件的日子。
1968年的這一天，阿波羅8號發(fā)射升空，開啟了人類首次飛出地球軌道的環(huán)月之旅；2015年的這一天，獵鷹9號一級火箭垂直降落在陸地著陸區(qū)，標(biāo)志著全球首次軌道發(fā)射火箭陸地回收；2021年的這一天，獵鷹9號一級火箭垂直降落在一個僅有足球場大小的海上平臺，這也是SpaceX歷史性實(shí)現(xiàn)第100次回收火箭。
撰文 | 程亦之（宇航科普作家）
責(zé)編 | 邸利會
● ● ●
短短6年工夫，100次的回收，這一數(shù)字甚至超過了全球現(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)一無二的火箭回收、復(fù)用技術(shù)與運(yùn)營，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（一級火箭編號B1051.11）；
SpaceX這家私營發(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)撼動了整個航天發(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……
如果說火箭是人類征服太空的通天塔，那么復(fù)用火箭曾是幾近科幻級別的太空夢想。早在20世紀(jì)60年代后期，宇航先驅(qū)者們就開始構(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航天飛機(jī)、蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號航天飛機(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)營費(fèi)用太高，試圖通過更高的發(fā)射頻次，分?jǐn)偨档桶l(fā)射成本的想法也過于樂觀，航天飛機(jī)最終并沒有實(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)僅小飛過一次，美國盡管飛過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)各種問題不斷暴露出來，NASA開始論證第二代航天飛機(jī)和空天飛機(jī)，著名的美國國家空天飛機(jī)（NASP）、 三角快帆（DC-X）呼之欲出。
美國國家空天飛機(jī)采用水平起降、單級入軌的技術(shù)路線，更接近飛機(jī)的思路，但技術(shù)難度實(shí)在太大，單級入軌過于理想；三角快帆雖然長相怪異，不過在設(shè)計(jì)上更接近于垂直著陸火箭（VTVL），因此測試之路走得更遠(yuǎn)。
盡管三角快帆和空天飛機(jī)兩個項(xiàng)目，由于種種原因最終半途而廢，不過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辟了新路徑。
當(dāng)然，SpaceX也不是一開始就直得要領(lǐng)的。
早在2010年～2013年，1.0版獵鷹9號經(jīng)過幾次試水證明：降落傘式回收是個坑——采用降落傘式回收，箭體、降落傘很容易在再入大氣時被摧毀、失控。
反而是，同一時期并行測試的蚱蜢原型機(jī)，卻能夠不斷突破，最終演進(jìn)成為獵鷹9號回收型火箭。直到2015年12月21日，夢想照進(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個月實(shí)現(xiàn)火箭回收，只不過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號成功回收的同時，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)從一開始就不在同一個層級。
此外，當(dāng)年跟SpaceX一同競爭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K-1。設(shè)計(jì)回收思路：第一級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)國的俄羅斯，盡管兜里沒錢但不乏創(chuàng)意。
早在2007年，馬克耶夫設(shè)計(jì)局就曾提出過一款類似獵鷹9號的垂直著陸回收火箭（VTVL），代號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珠，以技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)太大為由，最終扼殺了開發(fā)念頭。
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。
馬斯克親口說過的金句——“失敗越多，就越可能接近成功。如果失敗得不夠多，說明你還不夠創(chuàng)新。” 面對垂直著陸回收火箭這類科幻般的技術(shù)攻關(guān)，如果沒有主導(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，無論是航天巨頭還是國家隊(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，假設(shè)的限制條件是 “火箭的回歸需要靠空氣動力學(xué)的升力”，于是催生了外形類似飛機(jī)的航天飛機(jī)?？墒菣C(jī)翼巨大而沉重，空氣動力學(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)射時也會增加重量、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)成一個不倫不類的折衷方案——配有一個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力學(xué)的升力了，就靠火箭本身動力。
其大膽之處在于需要重新點(diǎn)燃火箭發(fā)動機(jī)，挑戰(zhàn)在于必須預(yù)留足夠燃料，來減緩火箭降速（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)定著陸過程。
一旦敲定整體設(shè)計(jì)思路，剩下來就是百折不撓的執(zhí)行力、各個擊破的創(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)新力加上罕見的執(zhí)行力，早已被一遍遍反復(fù)檢驗(yàn)過，因此才會成就如今太空領(lǐng)域的大贏家。
由SpaceX開創(chuàng)的一級火箭回收復(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了全球航天發(fā)射領(lǐng)域的市場格局和發(fā)展趨勢。
2020年底成功首飛的長征八號，升級版CZ-8R作為國家隊(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），正在研制朱雀二號甲烷液氧火箭，計(jì)劃第一級采用垂直著陸回收技術(shù)；
中國民營商業(yè)航天首次成功發(fā)射入軌的星際榮耀（iSpace）正在開發(fā)的雙曲線二號火箭，目標(biāo)也是實(shí)現(xiàn)垂直著陸回收；
星河動力（Galactic Energy）研制的帕拉斯一號火箭，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；
美國火箭實(shí)驗(yàn)室（Rocket Lab）發(fā)布的中子火箭，采用一級火箭+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）希望通過火神火箭進(jìn)入復(fù)用航天俱樂部；
相對論太空（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）試圖把阿穆爾火箭（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，縱觀全球，不管是國家隊(duì)還是老牌勁旅，即便從眼下開始算起，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，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)對點(diǎn)的全球一小時交通網(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，也不再是馬斯克的個人夢想，而是人類跨出母星搖籃，構(gòu)建跨星球文明，開啟大航天時代的現(xiàn)實(shí)寫照。
這一切都基于最初的復(fù)用火箭路徑，未來的快速全復(fù)用模式。
背景知識
回收火箭到底有多難？
? 兩級分離——一般在80公里高度的亞軌道，一二級火箭分離，一級火箭降落滑行。
? 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)動機(jī)一端朝向地球。
? 反推力——此時速度高達(dá)每小時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3個發(fā)動機(jī)，反推力減速。
? 展開柵格翼——減速到900公里/小時（相當(dāng)于普通客機(jī)巡航速度），關(guān)閉發(fā)動機(jī)，柵格翼展開，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，啟動中心發(fā)動機(jī)，直到減速降落，再次關(guān)閉發(fā)動機(jī)。
? 轉(zhuǎn)動?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，一級火箭降落速度達(dá)到378公里/小時（相當(dāng)于高鐵時速），第三次也是最后一次點(diǎn)火反推，啟動中心發(fā)動機(jī)，減速到8公里/小時（相當(dāng)于成人快走的速度），展開著陸架，同時利用液氮推進(jìn)器+柵格翼進(jìn)行姿態(tài)微調(diào)。
復(fù)用火箭有多難？
? 一級火箭實(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試基地進(jìn)行復(fù)查、翻新、測試；
? 對9臺梅林發(fā)動機(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)動機(jī)不可避免地產(chǎn)生老毛?。悍e碳問題，需要耗時耗力拆裝渦輪機(jī)才能徹底清理干凈；
? 需要對箭體本身、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；
? 重新裝配一級火箭，執(zhí)行靜態(tài)點(diǎn)火測試；
? 由火箭測試基地再次運(yùn)抵發(fā)射場，一二級火箭+整流罩/有效載荷進(jìn)行水平整合；
制版編輯 | 盧卡斯
