低成本、高可靠、可重复使用——Space X公司产品技术特点分析

□ 袁宇

编者按：2014年4月18日Space X公司的“猎鹰”9号V1.1型火箭执行国际空间站货运发射任务时，第一级箭体成功实现了受控再入和软落水。一周后，在一次新闻发布会上，Space X 首席执行官艾伦·马斯克又宣布，该公司正向美国联邦索赔法院提起诉讼，对美国空军就未来几年内的36次太空发射项目签订的一份批量采购合同提出异议。Space X公司虽然与波音、洛克希德·马丁等大型航天企业相比还是个小公司，但近年来名声鹊起，猎鹰系列运载火箭及“龙”飞船都已投入使用，并以其低廉的成本吸引了公众的眼球。那么，Space X公司的火箭到底有什么独门秘籍，可以大幅度降低成本呢？本刊特别邀请北京航天动力研究所的技术人员袁宇撰写了系列文章，尝试剖析该公司的火箭、发动机、飞船的技术特点，以解开猎鹰系列火箭低成本之谜。

Space X公司目前研制的猎鹰（Falcon）系列运载火箭有“猎鹰”1、“猎鹰”9、“猎鹰”9V1.1、“猎鹰”9 重型四个型号。这些火箭是按照模块化、通用化、组合化、批量化的原则设计、研制和生产的。火箭在设计上强调高可靠、低成本、容易操作。“猎鹰”1是一枚小型运载火箭，曾经进行了5次发射，现已经停止生产。“猎鹰”9是中型运载火箭，已经成功发射了5次，把第一个私营公司制造的货运飞船送进了太空并成功回收，目前已经被升级版“猎鹰”9V1.1所取代。

“猎鹰”9V1.1火箭是为了满足可重复使用要求，增加了一级贮箱的长度，容积增加30%，以容额外的返回减速所需的推进剂，起飞推力增加了56%，起飞重量增加了52%到506吨，近地轨道运载能力增加26%到13.15吨。单从外表看的话，“猎鹰”9像一支签字笔，而“猎鹰”9V1.1更像一支细长的铅笔。“猎鹰”9重型火箭是在“猎鹰”9V1.1的基础上，两边各捆绑一个V1.1的芯级组成的。

“猎鹰”9和“猎鹰”9V1.1、“猎鹰”9重型的对比

Space X网页上公布的“猎鹰”9V1.1和“猎鹰”9重型运载火箭的发射价格

Space X最引以为傲的是猎鹰系列火箭的低成本，下图是Space X公司网站上公布的发射价格。“猎鹰”9V1.1每次发射价格为5650万美元，“猎鹰”9重型每次可以将53吨载荷送入轨道，每次发射价格仅在7710万～1.35亿美元之间。相比之下，航天飞机每次发射费用高达4.5～5亿美元；联合发射联盟（ULA）的德尔塔IV重型运载火箭，每次发射费用为4亿美元；欧洲阿里安5火箭每次发射价格2～3亿美元。

Space X公司是一家有着鲜明的技术特色和强烈进取心的企业，在新理念、新技术的应用上，甚至走在了美国航宇局（NASA）的前面。交叉输送、动力冗余、垂直起降重复使用、下一代大推力发动机等等先进的技术，都敢于第一个去应用。相比之下，NASA提出的“太空发射系统”，主发动机、助推器、贮箱等关键系统，都是在原航天飞机的相应系统上小改而来，技术上裹足不前，而且动辄需要几十亿的投入。两相对比，不禁令人感叹NASA廉颇老矣！Space X等私营航天公司，是美国航天工业的希望所在，是逃离臃肿的旧机制，在新的模式下的重生。

Space X公司的产品设计中，强烈地体现了其领导者艾伦·马斯克个人梦想：低成本、高可靠、可重复使用。所有的技术路线，都是围绕这些梦想而确定的。梦想引领技术发展，这是Space X公司最大的特点。另一方面，Space X是一个仅有4000人不到的公司，领导者的梦想和路线，可以得到深入贯彻，底层技术人员明白领导层的目标是什么、想要什么，这一点是那些大公司大机构所不具备的。

作为一家自负盈亏的私营航天公司，在其产品的可靠性未获得市场的广泛认同前，低成本是其唯一的卖点。而目前的航天发射，其基本特点是：载荷的价值，远远超过火箭的价值。一颗通信卫星的价格动辄几亿美元，一颗大型探测器十亿美元轻松平常，更遑论载人火箭涉及的是人的生命。在这种情况下，只有高可靠的火箭才能得到市场的青睐，离开了高可靠性支撑的低成本是没办法在市场中存活下去的。Space X公司，能不能实现低成本和高可靠性兼得呢？从技术特点来分析，“猎鹰”系列火箭和龙飞船拥有低成本、高可靠性的客观技术基础，通用化、批量化让其拥有了制造质量基础。而批量生产的前提，是其发射累计成功数据得到市场的充分认可，因此对于Space X公司来说，保证当前每一次发射的成功是最重要的事。从历史经验来看，火箭发射成功，技术和制造是基础，人的因素才是决定性的。如何避免因为人的因素造成失败，避免因多次成功带来的麻痹大意，这些对于Space X来说，将是全新的挑战。