目标，火星文明——SpaceX公司的黑科技之路

文/ 土星5号

▲ 通过长曝光镜头拍摄到的“猎鹰9”第一级回收两次点火

不管是不是航天界的爱好者，现在几乎每个人都知道太空探索技术公司（以下简称SpaceX公司）。然而在16年前的2002年5月6日，当一个叫做“太空探索技术公司”的企业在加利福尼亚埃尔塞贡多市的一座仓库里成立时，恐怕两位创始人马斯克和穆勒都不会想到在16年后的今天会有如此高的知名度，更不会想到太空探索技术公司会彻底改变商业航天发射市场格局。在美国人的语言习惯中，如果一项技术太复杂，常会以rocket science（火箭科技）来指代，因而当太空探索技术公司作为私人航天公司，宣称目标在于降低太空运输成本以让火星殖民成为可能时，绝大多数人都认为马斯克是在妄想。哪怕在专业航天人士眼里，太空探索技术公司作为私人企业，试图把大都在科幻片中出现的目标带入现实，未免过于牵强。太空探索技术公司的“黑科技之路”，便在一片质疑声中迈出了走向太空的第一步。

与众不同的航天发射公司

尽管SpaceX公司常被冠以“商业航天公司”的称号，但和其他几乎所有的商业发射公司不同，SpaceX公司迄今为止都不是控股制，也就是说没有什么SpaceX公司股票可买，SpaceX公司也没有股东，公司运转资金完全来自火箭发射收入和政府的研发扶持。按照马斯克的想法，SpaceX公司和他的另一个公司特斯拉电机不同，最根本的目的不在于赚钱而在于殖民火星，开创火星文明。因此现阶段尚处在研发路上的SpaceX公司不能被追求经济利益的股东所纠缠，若要转为控股制，必须要等到公司已经具备定期发射往返地球火星飞船的能力时。这在16年前看似不现实，现在依然看似很遥远的最终目标，却正是维持着SpaceX公司6000余名员工的核心理念。

经济学上常说若一个物品的价格降低，则购买使用此物品的人数会增加，因此价格通常和消费量成反比。同理若要把足够的人员和物资送往火星完成殖民，必须要降低向太空发射物资的价格，而这正是过去16年SpaceX公司所有“黑科技”的一致努力目标。为何SpaceX公司的发射报价总能低于其他发射公司？很多的答案认为SpaceX公司通过回收第一级火箭的“黑科技”来降低发射成本，其实这个回答并非完全正确。从卫星发射数量便能看出，早在2015年回收成功之前SpaceX公司的发射量便已在飞速增长，回收成功的2015年太空探索技术公司占发射市场份额还因CRS-7的事故略低于2014年。回收第一级毫无疑问会进一步降低发射成本，但这并非SpaceX公司大幅度降低发射价格，并打赢航天发射价格战的根本原因。在SpaceX公司创下的诸多“黑科技”中，很少有人注意到还有一项商业上的“黑科技”，那便是一个几乎没有任何外在承包商的航天发射公司。

▲ 太空探索技术公司商业计划

▲ 从自带创业“气场”的加州仓库起步，红箭头所指的这个看上去像忘记吃药的31岁青年人就是spaceX公司创始人兼CEO艾隆·马斯克

猎鹰9火箭除去发射的载荷外，箭体、整流罩、引擎以及火箭发射全部由SpaceX公司自行研发完成，整套从研发到制造再到发射的流程中没有任何一位外在承包商。高度的垂直整合夸张到公司发射部门和工厂不仅都位于加利福尼亚的霍桑市，还都在同一屋檐下，透过发射部门控制中心的落地窗甚至可以直接看到旁边工厂正在生产的火箭箭体。换句话说SpaceX公司拥有火箭发射流程所需的全部科技、设计、研发、制造、整合、遥测等一应俱全，不难想像这一路走来全管齐下需要克服多少困难。

如此夸张的高度整合才是SpaceX公司打赢价格战的真正法宝。而以阿里安-5和宇宙神-5火箭为例，阿里安-5发射公司为阿里安空间公司，但箭体制造方为空中客车公司国防和太空部，核心级火神引擎则由斯奈克玛公司研发制造，而“宇宙神-5”的箭体制造和发射公司均为联合发射联盟（ULA），但核心级RD-180引擎购自动力机械科研生产联合体（NPO Energomash）和普惠公司组成的合资公司，上面级RL-10引擎和AJ-60A固体燃料推进器则购自普惠旗下的洛克达因公司。由于每一个外在承包商都是相对独立运转的公司，都需要利润来养活员工，因此产品售价都会一定程度上高于成本，而每一个承包商的加价都会最终汇总由客户买单。如果把其他航天发射公司比作零售商，SpaceX公司则是彻彻底底的批发商，没有加价，最终转嫁到购买者头上的发射价格自然会大幅度降低。

高度的垂直整合不仅让SpaceX公司的火箭制造和发射得以同时进行，还可把第一级回收时获得的大量数据快速反馈给工程研发团队进一步完善回收的具体细节，也因此SpaceX公司对猎鹰9号火箭的完善不可谓不快。比如针对第一级在发射地球同步转移轨道载荷返回时空气摩擦产生的高热量和高燃料消耗，研发中的猎鹰9号Block 5将使用隔热层保护引擎和箭体，使用更耐热的钛合金栅栏翼，以及优化箭体飞行控制系统以优化第一级返回时的攻角，让箭体自身产生更多升力以降低减速燃料消耗。钛合金栅栏翼在2017年6月25日发射回收时便以完成首次测试，而这距离首次成功回收第一级箭体仅过去了18个月，很难以想像这是总雇员不到万人的公司的办事效率。

▲ 可看到新款钛合金栅栏翼使用后几乎没有烧灼痕迹

仅此一家的回收方式

新钛合金栅栏翼设计上更为简洁且更耐用，本质上还是为了达成马斯克所说的猎鹰9号火箭第一级可在返回后稍加修整，24个小时内再次起飞的目标。快速重复使用回收的第一级火箭，是太空探索技术公司认为达成最终殖民火星的关键。而完成重复使用的核心，便是“猎鹰9”独特的“黑科技”——科幻味十足的垂直降落设计。由于美国所有火箭发射场均建在海边，第一级火箭熄火分离时便已在海上，而液体燃料引擎若重复使用必须要避免被盐腐蚀，因而不能接触海水。综上所述回收的猎鹰9火箭只能掉头“飞”回陆地或者顺飞行弹道降落在驳船上，两者均需要对飞行方向和箭体方位进行精确控制，栅栏翼因此诞生。

▲ 新旧栅栏翼对比

在飞行装置上栅栏翼的使用其实并不鲜见，苏联的R-77空空导弹，美国的“炸弹之母”自由落体炸弹都使用栅栏翼来完成精确制导。和传统实体的气流控制翼面不同，栅栏翼在气流速度越快时产生阻力越小，因而控制力越弱。在高空高速时稀薄的超音速气流会直接从栅栏翼的空隙中穿过，降低栅栏翼对气流方向的控制力。反而低空低速时稠密的跨音速或亚音速气流会在穿过栅栏翼后形成乱流，提高栅栏翼整体翼面对气流方向的控制力，进而方便控制箭体的飞行方向。排除发射场的限制因素导致“猎鹰9”需要使用栅栏翼来完成精确降落，其降落方式其实和降落火星，这个太空探索技术公司必须要完成的任务有着异曲同工之妙，某种意义上来说“猎鹰9”第一级的回收是对完成殖民火星的最终目标进行先期的技术实践和经验积累。

▲ 由简单的落地窗隔开的发射控制中心和火箭工厂

“猎鹰9”第一级火箭的降落可整体分为两个部分，再入点火和降落点火。根据载荷的不同，第一级在分离后的速度大约在2000米/秒到2500米/秒的高超音速阶段。第一级箭体首先通过反推力系统调整姿态使引擎喷口朝向地表，在重力的作用下箭体逐渐加速下落。70余千米的高空大气稀薄，高速空气阻力对箭体造成的影响并不大，但若保持高超音速进入稠密的低层大气，箭体会被剧烈的空气摩擦所烧毁。此时“猎鹰9”重新启动引擎进行大约20秒的再入点火，目标在大约40千米的高度时将“猎鹰9”减速到1800米/秒（海上降落）或800米/秒（陆地降落）左右的超音速。进入低空大气后栅栏翼将箭体保持在一定角度的和垂直的倾斜，以便滑翔对准降落地点的同时，增大箭体迎风面来提升箭体自身升力，稠密的大气会完成剩余的跨音速减速工作并将箭体降到终端速度。最终栅栏翼让箭体对准降落地点后，在降落前几秒将箭体重新改为垂直，此时箭体中央的引擎再次降落点火，将整个“猎鹰9”的第一级逐渐减速到0米/秒，缓慢地降落到地面或驳船上。

若不看第二部分低空的降落点火而只看第一部分高空的再入点火，便会发现这和火星地表降落及其相似。火星地表大气压为地球海平面大气压的0.6%，稀薄的大气使降落器无法只依赖降落伞产生的空气阻力减速，必须要使用其他手段才能安全降落。现阶段已知的唯一一种能精确控制降落地点的方法，便是在降落时用火箭逆向喷射减速。“猎鹰9”第一级再入点火均在40-70千米的区间内，此高度大气压大约为海平面的0.1%，恰巧是火星高空的大气压，同时第一级火箭大约8马赫的高超音速又恰好是进入火星高空大气时的速度。如此高的相似度不仅让太空探索技术公司有了实际高超音速逆向喷射数据，就连美国宇航局都开始通过“猎鹰9”第一级的红外摄影来研究超音速反推时的气流状况，以完善火星降落逆向喷射的模型。由于描述气体等流体的纳维-斯托克斯方程没有常规解，逆向推进的具体气流情况只能通过风洞模拟来实现，“猎鹰9”第一级提供的实际数据重要性不言而喻。

▲ 在美国航空航天学会上发布的“猎鹰9”超音速反向推进的图

太空探索技术公司自16年前创立开始便是在许多人眼里很牵强的公司。然而太空探索技术公司通过清晰的目标和不懈的努力，一次又一次通过“黑科技”实现了一个又一个承诺。现在可回收重复使用的火箭和高度整合的公司，让太空探索技术公司开始着手火星殖民的下一个步骤。要殖民火星则先需要能把飞船送往火星的火箭，以及证明太空探索技术公司能把人类安全送入太空并接回来，于是乎通过并联三个“猎鹰9”第一级的猎鹰重型火箭和载人飞船龙2诞生。2018年2月7日太空探索技术公司通过成功首射猎鹰重型火箭成为拥有现役运力最大的火箭公司，并将在不久会成为第一个将航天员送入太空的私营航天企业。不过恐怕太空探索技术公司的每一个员工都清楚，这次离开近地轨道踏入深空的一步，需要更科幻的“黑科技”来克服更大更多的挑战。