掀起大航天序幕一角的SpaceX

2016-04-27刘威

军事文摘 2016年3期

刘威

500年前，有一个名叫麦哲伦的葡萄牙人宣称要做一次环球航行，被当时的人们嗤之以鼻，然而，他率领的团队做到了。从此，人类文明进入了波澜壮阔的大航海时代。如今，有一个名叫马斯克的人宣称要在死后被埋葬在火星上，很多人都说他是“疯子”，虽然对他的“狂言”板上钉钉还为时尚早，但正是他一手创办的SpaceX公司，在2015年12月22日，将发射后的“猎鹰”9号第一级火箭成功回收，让人类火箭重复使用迈出了重要一步。风起云涌的大航天时代似乎就在眼前。

“猎鹰”9号有多先进？

“猎鹰”9号是SpaceX公司倾力打造的运载火箭。主要用于为国际空间站运输物资。作为一家民营企业，成本控制是SpaceX最关注的，为此，他们想要通过回收火箭，达到重复使用的目的，从而降低成本。

目前，在航天领域回收航天器有四种方式：一是利用降落伞垂直下降，我国回收“神舟”飞船的返回舱就用到了这种方式;二是在动力辅助下通过滑翔飞行进行回收，俄罗斯的“暴风雪”号航天飞机就采用这种方式;三是单纯通过滑翔飞行达到水平着陆进行回收，这种方式被美国的航天飞机普遍采用;四是通过动力反推完成垂直回收，SpaceX对“猎鹰”9号的回收就选择了这种方式。

SpaceX并不是第一个使用动力反推垂直回收航天器的，相反，动力反推技术目前已经较为成熟，美国的“凤凰”号火星探测器以及我国的月球探测器在着陆时都用到了这种方式。但是对于火箭这种细长航天器的回收，姿态控制的难度系数将成倍增加。虽然在2015年11月24日，美国蓝色起源公司成功完成了对火箭的回收，但需要指出的是，蓝色起源的New Shepard火箭仅仅完成亚轨道飞行，并且由于只是测试，没有携带大量的载荷。而SpaceX的“猎鹰”9号需要进行轨道飞行，完成既定任务（将11颗卫星送入轨道）后才进行回收。马斯克直言：“进入太空需要的速度为3马赫，而进入地球同步轨道需要的速度为30马赫，能源需求则呈平方式增长。如进入太空需要9个单位燃料，进入轨道就需要900个单位。”可见，“猎鹰”9号回收的难度与蓝色起源的New Shepard火箭不可同日而语。因此，“猎鹰”9号的姿态控制系统和动力系统就成为本次回收的关键。

姿态控制系统火箭是一种细而长的航天器，这种航天器在回收过程中受高空气流的影响非常大，这就好比在狂风中使一根扫帚竖立在手掌上。空中的气流随机性很大，并且可能在同一时间遇到多股气流，这是对火箭姿态控制系统的巨大挑战。火箭的细长比越大，其控制难度就越高，“猎鹰”9号的细长比较蓝色起源的New Shepard火箭大很多。不过，火箭脱胎于导弹，就其姿态控制技术而言还是比较成熟的。

“猎鹰”9号的一级火箭在返回过程中，通过箭上的液氮推力器对姿态进行调整，以应对气动扭矩和旋转的影响，保障其不发生滚转，在降落过程中基本与地面保持垂直状态。除了液氮推力器，一级火箭的顶端还安装了4片栅格翼，在火箭升空时收拢，在回收过程中打开。栅格翼可以对经过的杂乱气流起到一定的整流作用，同时还可以节省一部分燃料。这种技术在有翼导弹中常被用到，例如俄罗斯的SS-21战术弹道导弹和R77空空导弹。

动力控制系统本次发射的“猎鹰”9号火箭，火箭全长70米，直径3.66米，起飞推力6806千牛，起飞重量541吨。第一级和第二级火箭都采用了梅林1D发动机。第一级采用9台梅林1D发动机，第二级为1台加大喷管扩张比的梅林1D真空型发动机。

梅林1D发动机并不先进，实际上是美国20世纪60年代“阿波罗”登月计划的遗物，由NASA授权技术给SpaceX公司使用。经过该公司多次改进，最新版的梅林发动机工作效率大大提高，地面比冲为282秒。但即使这样，梅林发动机的推力仍显尴尬，原版的梅林1D推力只有556千牛（经过改进略有提升），为了完成发射回收任务，只能靠堆加数量来提高推力。反观各国主力发动机都要比梅林1D有优势，例如俄罗斯的煤油液氧燃料发动机RD-180，推力达到4150千牛，地面比冲311秒，连美国的“宇宙神”火箭都采购来做主发动机，而且这种巨型运载火箭只需要一颗RD-180外加固体火箭助推器就能上天。SpaceX公司舍近求远也有自己的考量：一者涉及技术使用权的问题无法逾越;再者梅林1D发动机经过多年改进，可靠性也较高。

虽然“猎鹰”9号靠增加发动机数量满足了发射要求，但发动机数量的增加会使控制难度和危险系数直线上升。火箭需要协调9个喷嘴释放均衡的推力，万一某个发动机出现故障，火箭姿态就会倾斜，发射就失败了。此前苏联的N1火箭，第一级就使用了多达30台发动机，多次发射试验均告失败，直接导致了苏联登月计划的告吹。为了加强安全系数，“猎鹰”9号采用了动力冗余技术，当某一发动机出现故障时，监测控制系统会采取措施，或其他发动机整体提高功率保障推力，或关闭对称发动机保持平衡。这一技术在此前的航天飞机上就已开始使用。

2015年11月24日，美国蓝色起源公司成功对New shepara 火箭进行回收

为了节省燃料，“猎鹰”9号还采用了推进剂交叉供应技术。在上升过程中先把助推级推进剂烧光抛掉，然后再烧芯级的，把剩余燃料留在芯级里供回收过程使用。但这也是一项成熟的技术，并非SpaceX的技术突破。

除了姿态控制和动力系统，SpaceX公司还用了液压缓冲的着陆支架技术来增加回收的成功率。火箭底部直径3.6米的四个碳纤维和铝材质的着陆支架在第三次点火减速时打开，将接地直径扩大到21米，进一步减少了着陆时的巨大冲击力。这项技术在一些火星、月球探测器上已有成功的先例。

可以看出，“猎鹰”9号的单个技术并无创新之处，但将成熟技术组合起来，将各部分性能发挥到极致，从而在无人曾涉足过的领域取得成功，才是SpaceX公司此次成功回收的关键，也是令人惊艳之处。

大航天时代近在咫尺？

“猎鹰”9号的成功回收，让人们看到了“廉价航天”的曙光，有人认为“猎鹰”9号火箭的制造成本为1600万美元，但燃料成本仅为20万美元，可重复利用后，大航天时代近在咫尺，太空旅行出个燃料费就行了。但这真的可行吗？

火箭回收涉及到各方面因素，并不仅仅消耗了燃料，航天成本能否大幅度缩减还需要进一步观察。

普通的一次性火箭在设计时只需考虑搭载目标、完成任务，其他都可尽量简化。一旦火箭需要重复利用，就要考虑以下几个方面：一是材料，箭体的材料需要能够承受多次高速飞行任务，其成本会有所增加;二是额外加装的系统，回收过程需要多种控制和导航系统，这在增加预算和载重外，火箭的整体设计难度也上升了一个台阶;三是燃料，除了发射所需，火箭还需要更多的燃料为回收时的反向推动提供动力，这对燃料推动系统又提出了更高的要求，额外燃料的重量又会减少有效载荷的空间，导致发射效率降低，为了达到同样的发射能力，就需要更大的火箭设计;四是维护成本，火箭回收后还需要全面的检查和维护，任何纰漏都可能导致今后的发射失败，就目前的技术而言，这种检修的成本都快赶上再造一个新的了;五是产业化，就像工业中的流水线作业，在量较少的情况下并不划算，航天发射如果没有达到一定数量，靠重复利用减少成本意义不大，仅靠各国政府发射卫星远远不够，只有当像太空旅行之类的商业航天服务更加普及，重复利用才会显现出惊人的价值。