一枚火箭如何创造历史

马迪

最近网上流行一句玩笑话，教训一个人不知深浅，常说“你咋不上天？”严格来讲这句话很有局限性，因为“上天”实在不是什么新鲜事了。回顾飞天的历史，1783年的热气球、1852年的飞艇、1903年的飞机、1961年的载人飞船似乎每隔五、六十年就会有一个重要突破，有人因此预测，下一个转折点离我们已经不远了。

怎样一飞冲天

我们都曾经在物理课本上读到过这样一段话：“在地面上向远处发射炮弹，炮弹速度越高飞行距离越远，当炮弹的速度达到7.9千米/秒时，将不再落回地面（假设无大气阻力），而环绕地球作圆周飞行。”可见，想要离开地球，首先得有速度。实际上，由于地球表面存在稠密的大气层，航天器必需飞到超过150千米的高度上才能摆脱空气阻力。因此，高度150千米、速度7.9千米/秒，必须同时满足这两个基本条件，你就能上天了。

让一大堆沉重的物体脱离地心引力进入太空，绝不像说起来这么简单。即使不关注航天，相信你也对发射火箭的高昂费用有所耳闻。毕竟冷战时期美苏两国的太空竞赛，差点拖垮了苏联经济。那么现如今，送一颗卫星上天到底需要多少钱呢？即使像美国“太空探索”（SpaceX）这种以发射价格低廉闻名的公司，官网报价（猎鹰9号火箭）也要6120万美元，折合人民币3.95亿元。

如此高昂的成本，很大一部分消耗在了运载火箭上，其中，箭体、发动机、导航制导控制等设备占去绝大部分。另一个残酷的事实是：在过去的数十年间，运载火箭一直是极为昂贵的“一次性消耗品”，无法重复使用—将航天器送入轨道后，火箭会直接坠入大气层焚毁，或漂浮在太空中成为太空垃圾。

如果火箭可重复使用，不就能大幅度降低成本了吗？这正是研制可重复使用运载工具的初衷。但或许是航天发射的难度和运载工具面对的苛刻环境超出了人们的能力，过去几十年来人类追求可重复使用运载工具的努力，无一例外全都以失败告终，直到2015年。

怎样安全落地

成本可降低的空间越大，潜在的利润也越多，只看谁能抢占这份先机了。

在刚刚过去的岁末年初，美国太空探索技术公司两次成功回收火箭的案例成为全球焦点：先是在2015年12月首次成功实现一级火箭的陆地回收，4个月后再次让一级火箭准确地降落在海中的无人船上。

新闻中的主角、“猎鹰9号”火箭由两级运载火箭组成。发射时，首先由推力强大的一级火箭点火起飞；2分多钟后，一级火箭的燃料已消耗大半，此时一、二级火箭分离，减轻负重；随后二级火箭启动，用“接力”的方法推动飞船进入预定轨道；一级火箭则进入返回飞行，经过多次点火制动，将下落速度由每秒1300米减速为每秒2米，并落到指定地点。整个过程耗时近10分钟。

说起来容易，做起来却是难于上青天。回收航天器并不新鲜，但回收火箭的难度要远大于航天飞机、飞船和返回式卫星。这是因为越是细长的飞行物，越难以控制其空中飞行的姿态，要使细长的火箭箭体精确地、笔直地落回到地面上，甚至在海上平台垂直着陆，更是难上加难。海上回收的视频显示，当火箭接近无人船时，它的速度逐渐减慢并不断调整降落姿态，最后着陆前约3秒内，火箭从倾斜约20度迅速调整到垂直方向，体现了卓越的发动机控制和整体姿态控制能力，着陆点与船正中心位置仅有不到10米的极小偏差。

SpaceX曾用过一个比喻：就像发射一根铅笔，让它飞跃纽约帝国大厦楼顶后精准落在一块漂浮的橡皮上，而且还不能倒。要知道，这支“铅笔”有大概70米高，重达数十吨！质量越大的物体惯性越大，越难控制，想象一下你把20层楼发射到太空然后再精准地降落到足球场大小的驳船甲板上，得有多难？

廉价太空的关键一步

“猎鹰9号”的陆海两次成功回收需要跨越两个难关：一是电子系统，这是火箭的大脑，遍布箭体的各种传感器获取火箭飞行的各种参数，然后通过信息汇总、计算，及时调整飞行方案；可调节推力的火箭发动机也是成功的关键，这需要改变燃烧室、燃料泵等的设计，实时调节发动机内部的温度和压力，并调节燃料的流量，实现推力的精确可控。

尤其是最近的海上回收实验，更是具有极为重大的意义，用事实证明了火箭回收技术水平已经近乎成熟。和陆地回收相比，海上浮动平台面积小（只有几百平方米），容易波动（受天气、海浪影响），定位稍不准确，火箭就会掉进海里。SpaceX此前曾进行过4次类似尝试均告失败，却矢志不渝，因为最理想的回收场地还是海洋。

既能一飞冲天，也能回到地面，火箭发射价格有望降低到现有价格的1%，全球太空商业发射将因此发生革命性变化。这让很多人看到了希望—外太空探索有廉价化、普及化的趋势。未来，太空旅行的花销也将大幅缩减，普通人也可能承担，廉价太空时代的大门即将开启。