艾伦·马斯克的终极梦想——可重复使用运载火箭

□ 张雪松

执行国际空间站货运发射任务的“猎鹰”9号V1.1火箭

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，“蚱蜢”试验飞行器也连续成功，这似乎预示着Space X可重复使用运载火箭的研制已经看到了胜利的曙光。

作为一家新兴航天企业，Space X在不过十二年的历史上，取得了举世瞩目的成绩。他们的“龙”货运飞船和“猎鹰”9号运载火箭的研制都只花了三亿美元左右，堪称物美价廉；猎鹰系列火箭使用的“灰背隼”发动机几经改进，无论是比冲、推重比等性能还是制造工艺和质量，都令人刮目相看；他们还在研制重型猎鹰运载火箭，计划2015年年初发射，其近地轨道运载能力可达53吨，将成为“土星”5号火箭以来运力最强的运载火箭。

相比于传统航天公司，Space X的这些成绩已经非常出色了，但Space X更大的理想在于廉价进入太空和星际殖民，为了这个宏伟的理想，该公司建立伊始就力图研制和突破运载火箭的可重复使用技术。

可复使用运载工具的过去

如果我们的汽车只跑一趟就要报废，如果我们的电脑只能开机一次，那汽车和电脑的使用成本必然高居不下更无法普及。目前运载火箭是人类进入太空的唯一工具，不过从1957年第一颗人造卫星发射成功以来，运载火箭都是一次性使用的，航天专家们对一次性运载火箭的劣势心知肚明，也一直做出大量的努力攻关可重复使用的航天运载工具。美国航宇局和美国空军联合研制的可重复使用的航天飞机曾带来了一线曙光，但航天飞机投入使用后人们尴尬地发现，其发射成本居然比一次性的运载火箭还要贵，加上挑战者号事故，美国空军最终退出了航天飞机项目，投资研制渐进一次性运载火箭(EELV)项目，从而诞生了目前世界运载火箭中首屈一指的“宇宙神” V和“德尔它” IV系列火箭。不过性能再强大，技术再先进的一次性运载火箭毕竟也只能一次性使用，仍然要面对发射成本高的困境。虽然由于人力物力成本的不同，世界各国的一次性运载火箭发射成本参差不齐，但普遍在数千美元每千克的级别上，这也导致全世界的航天产业无法全面商业化，而是极为依赖政府投资。

世界航天工业界一直以极大的热情和投资研制可重复使用的运载工具，这其实并不奇怪，一次性运载火箭成本控制得再好，对有效扩大市场规模来说也无济于事。理论上只有通过重复使用才能极大地降低成本，使人类有能力进行大规模太空商业开发。各国航天机构几十年来投入巨资进行可重复使用运载工具的研制，提出了多种方法，尝试了各种途径。典型如美苏两国的航天飞机，其中美国的航天飞机设计中可重复使用的轨道器自带三台主发动机，而苏联的航天飞机轨道器没有主发动机，严格地说苏联的暴风雪号航天飞机很难说是运载工具。至于欧洲和日本曾研制的小型航天飞机，更是由一次性运载火箭将重复使用的轨道器直接送入轨道，这样的概念到是和现在仍在太空飞行的X-37B几乎一样。美日欧等国还曾提出使用超燃冲压发动机的空天飞机设计，但由于发动机、热控和飞控等技术问题，最终都胎死腹中。目前人们正在研究第一级重复使用、第二级一次性使用的可重复使用运载工具模式，希望通过降低要求降低难度和风险，最终过渡到完全可重复使用的运载工具，并最终降低发射成本。

“猎鹰”9号火箭竖立在发射台上

坚持梦想的Space X

Space X成立于2002年，创始人艾伦·马斯克在建立这家公司时不仅提出了星际殖民的远期宏伟目标，随后还提出了大幅度降低发射成本的目标。2004年马斯克表示，他认为未来可以将发射成本降低到500美元每磅或是更低。2005年9月8日Space X公开“猎鹰”9号火箭的研制计划时，声称这是一种可重复使用的运载火箭，将会以2700万美元的价格将9.5吨的载荷送入近地轨道，平均每磅的发射费用仅有1286美元。时至今日，一次性使用的”猎鹰”9号V1.1火箭以5650万美元的发射报价，可以将13.16吨的载荷送入近地轨道，平均每磅的发射费用1949美元，虽然离当初的目标还有一定距离，但已经是目前最便宜的运载火箭了。

“猎鹰”9号的成功固然令人振奋，但对比2005年的指标，火箭发射成本仍然上涨了将近一倍，如果考虑到“猎鹰”9号很多发射并不是满负荷的发射，实际的单位发射成本还要更高，Space X的火箭虽然号称廉价，但还是太贵了。唯有重复使用才能降低发射成本，2011年马斯克曾针对“猎鹰”9号火箭作了具体分析，称“猎鹰”9号V1.0火箭的液氧煤油推进剂，包括第一级39000加仑的液氧和25000加仑的煤油、第二级7300加仑的液氧和4600加仑的煤油的总成本仅有20万美元，而当时“猎鹰”9号火箭发射报价高达5400万美元。马斯克豪情万丈地表示，通过运载火箭的重复使用，未来将发射成本降低为现在的百分之一也是可能的，至少也要做到现有发射成本的1/20。当然Space X的现实目标暂时还没有这么乐观，2013年6月公司COO Gwynne Shotwell在新加坡卫星工业论坛表示，该公司寻求通过重复使用将“猎鹰”9号火箭的发射价格降低到500万～700万美元，或者说现有发射价格的1/8到1/10。Space X要实现这个令人激动的目标必然要付出艰苦的努力，但一旦变成现实将彻底改变航天发射市场，甚至整个航天工业体系。

Space X的复用技术

Space X毕竟是一家历史很短的公司，它通过“猎鹰”1号火箭的最终成功，证明了自己研制的运载火箭能够经受实际发射飞行的考验，并为“猎鹰”9号的成功奠定了基础。那么在“猎鹰”1号时代研制可重复使用技术，自然也不会多么靠谱。Space X最早试图使用降落伞海上回收猎鹰火箭的箭体，打捞后运回重复使用，不过“猎鹰”9号火箭的前两次发射中，降落伞着陆落水方式都以失败告终，其中第一次发射试验中第一级箭体分离后甚至没有收到遥测信号，第二次收到了遥测信号但第一级仍在再入大气层的过程中破碎解体。接连的失败证明无控再入大气层的设计并不可行，再考虑到降落伞软着陆方式面临的着陆区气象条件和周转速度等实际困难，Space X转向其他的技术路线，开始研制火箭反推返回发射场的复用技术，并应用在“猎鹰”9号V1.1型火箭上。

火箭发动机的比冲要比航空喷气式发动机的等效比冲低得多，多数运载工具重复使用方案不是助推级使用降落伞减速着陆/落水，就是火箭发动机关机后启动喷气发动机巡航返回。对比主流的可重复使用返回概念，Space X的火箭反推返回发射场并降落比较新颖，但并非革命性的创造。美国航天飞机就有名为返回发射场(RTLS)的发射中止方式，使用主发动机反推减速后再加速返回肯尼迪发射场，不过航天飞机在RTLS方式飞行中有很长一段飞行属于无动力滑行，着陆也是常规方式。太空探索公司当年的战友Kistler公司的K-1运载火箭第一级同样使用火箭反推返回发射场的设计，使用NK-33发动机的K-1火箭第一级将在约4马赫时关机分离并启动发动机返回发射场，不过K-1第一级使用降落伞软着陆，与“猎鹰”9号V1.1型火箭仍有一些区别。要说和“猎鹰”9号V1.1最像的，当属俄罗斯马卡耶夫设计局的ROSSIYANKA火箭，它的第一级同样使用火箭发动机反推返回着陆场并垂直着陆的概念，不知道马斯克手下的工程师们是否受到了它的启发。不过马卡耶夫设计局并没有资金支持垂直起降(VTVL)的ROSSIYANKA火箭从纸面变为现实，而Space X的“猎鹰”9号V1.1火箭，在第四次发射中就成功实现了受控完整再入和软落水。

“猎鹰”9号V1.1火箭着陆腿支架结构细节

“猎鹰”9号V1.1火箭重复使用的两个关键难题，一个是受控再入大气层，另外一个就是从高速状态受控垂直降落，针对这两方面的技术难关，Space X选择在实际发射中验证第一级受控再入技术，同时研制了名为“蚱蜢”的垂直起降试验飞行器验证垂直降落的控制技术。最近这两方面都收获了成功，Space X “猎鹰”9号V1.1火箭第一级火箭飞回发射场的试验已经不远了。

Space X的可重复使用试验

2013年9月29日“猎鹰”9号V1.1火箭的第一次飞行中，Space X就试验了火箭第一级受控再入的技术。“猎鹰”9号V1.1火箭的首次发射是一次验证性质的飞行，只携带了加拿大实验通讯卫星CASSIOPE和数颗小卫星，除了验证能否将载荷顺利发射入轨，它更大的价值在于进行第一级可重复使用的技术验证。

或许是由于大量新技术的使用，以及可重复使用试验的技术难度，这次发射前Space X称试验成功的可能性大概只有10%，真可谓九死一生。不过火箭的实际飞行结果表明，他们的运气真不错。火箭第一级发射升空163秒后主发动机关机，第170秒火箭一二级分离。火箭第一级分离后使用冷气RCS系统控制飞行姿态，随后发动机进行了两次重新启动，第一次重启动降低了火箭的速度，随后火箭成功受控完整再入大气层，不过遗憾的是，由于姿态控制能力不足，发动机第二次重启动后，火箭出现了自旋现象导致发动机过早关机，最终火箭第一级以45米每秒的速度砸向海面，坠毁于距离发射场范登堡空军基地西南几百英里外的太平洋里。虽然这次可重复使用试验并没有成功，但也绝不能用失败来形容，用公司CEO艾伦·马斯克的话说：距离成功只有一步之遥。

“猎鹰”9号V1.1火箭随后的两次发射并没有进行第一级受控再入落水的试验，但space X的工程师们表示，他们已经找到了第一次试验姿态失控的原因，据称主要是由于冷气RCS控制能力不足所致。工程师们表示火箭装上四个着陆腿，在下落过程中展开后，配合冷气RCS即可提供足够的控制能力，不会再次陷入失控的自旋。2014年4月18日“猎鹰”9号V1.1火箭的第四次发射，进行了火箭第一级的第二次可重复使用试验。

俄罗斯马卡耶夫设计局的ROSSIYANKA火箭飞行示意图

俄罗斯马卡耶夫设计局的ROSSIYANKA火箭的结构

“猎鹰”9号V1.1火箭进行受控软落水时，第一级发动机在靠近海面附近进行第三次点火

相对于国际空间站货运任务的波澜不惊，这次“猎鹰”9号的第一级能否完整回收吸引了航天爱好者们更多的目光。美国东部时间4月18日下午3时25分，火箭发射升空，第163秒后第一级发动机关机随后分离，火箭第一级的发动机随后成功进行了第二次点火和关机并顺利穿过了大气层。艾伦·马斯克在推特网站发表的推文显示，火箭第一级下落到距离海面8500米的高度时速度约为360米每秒，而且姿态控制良好。在良好的姿态控制下，火箭第一级的第三次点火工作也获得了成功，第一级落水后仍继续发送信号，证明第一级完整落入海中，不过8秒后第一级倒下转为水平后信号才终止。Space X事后发布了箭体摄像机拍摄的原始视频，虽然视频质量极差但仍可以看到点火的过程，为第一次成功的软落水留下了珍贵的资料。这次试验的成功，标志着火箭重复使用已经跨过了最困难的受控再入和软着陆的难关，具有极为重要的价值。

Space X的垂直起降试验飞行器也不断获得成功，第一阶段蚱蜢连续进行了多次试飞，并最高飞到744米的高度，原名蚱蜢2现在叫做“猎鹰”9号复用试验器(F9R)的飞行器也先后进行了两次试飞，第一次飞行高度250米，第二次达到了1000米，F9R飞行器未来将进行更多的试飞，进一步刷新飞行高度、飞行速度、水平移动距离的记录，平滑对接再入后的“猎鹰”9号第一级箭体飞行状态，为“猎鹰”9号第一级火箭从超音速返回发射场并垂直着陆做好技术验证。

F9R试验飞行器第一次飞行

受到“猎鹰”9号和蚱蜢飞行器试验成功的鼓舞，Space X宣布今年还将进行两次火箭第一级的受控再入试验，年底可能进行首次火箭第一级飞回发射场并降落的试验。如果年底的试验成功的话，Space X将实现人类历史上第一次飞回式的火箭重复使用，这对期待火箭重复使用的人们来说将是极大的鼓舞。

可重复使用“猎鹰”9号的未来

“猎鹰”9号V1.1火箭以物美价廉著称，如果未来可以通过重复使用，真的将成本降低到500万～700万美元，全世界就更不可能有任何其他运载火箭可以与之竞争了。人类已有的可重复使用运载工具如航天飞机，曾遇到发射价格更高的尴尬，“猎鹰”9号会不会重蹈覆辙，现在还不得而知。

“蚱蜢”垂直起降试验飞行器

“猎鹰”9号V1.1火箭的重复使用设计相当简单，重复使用版本与一次性使用版本的差别，主要是增加了使用液氮的冷气RCS和着陆腿，另外在火箭的飞行控制上也进行了一些改进，研制生产成本差别很小，这与航天飞机为了可重复使用付出巨大的研制和使用成本形成了极为鲜明的对比，也就无需像航天飞机那样，只有很高的发射频率才能降低发射成本。根据马斯克的说法，“猎鹰”9号V1.1火箭重复使用对比不重复使用要付出运力下降30%的代价，航天飞机是以一个100吨级近地轨道运力的发射工具，发射最高不到30吨的可用载荷入轨，仅从这一点上说“猎鹰”9号V1.1的重复使用就有更好的经济性。航天飞机使用客货混用的设计，对安全性和可靠性要求极高，而发射频率一高难免出现问题，但航天飞机理论上的廉价发射成本又是建立在很高的发射频率上的，这样的悖论让航天飞机根本无法降低发射成本。“猎鹰”9号火箭的可重复使用设计可以使用新生产的火箭进行安全性要求很高的载人发射或价格更高的高价值载荷发射，而要求较低的货运发射则使用回收后再利用的箭体，同时可重复使用型的价格差别也很小，火箭的经济性无需高发射频率的支持，从根本上避免了航天飞机面对的巨大风险。

乐观地说，即使“猎鹰”9号V1.1火箭未来做不到500万～700万美元的超低发射报价，但通过重复使用降低发射成本，还是很有希望的。Space X还可以在技术和经验进一步成熟后，通过小步快跑不断改进做到更好的复用能力和经济性，他们很可能为执着研制“高端大气上档次”的可重复使用运载工具的航天工业闯出一条新路。