有翼式复用运载器：明日黄花 前景黯淡

文/松鼠

▲Skylon云霄塔

美国猎鹰9号火箭5月12日成功发射了Bangabandhu-1通信卫星，这次发射的亮点并非孟加拉国的第一颗通信卫星，而是猎鹰9号Block 5型火箭的首次发射。Block 5型火箭设计复用次数超过10次，计划通过火箭多次复用降低发射成本。新的猎鹰火箭能否实现降价的目标还有待检验，但曾经如火如荼的有翼式复用运载器，早已是明日黄花。

有翼却难以飞翔

一次性运载火箭太贵，运载器复用追求的就是降低发射成本，太空探索技术公司老板马斯克刚刚表示，现在发射价值6200万美元的猎鹰9号火箭，一次发射使用的液氧和煤油总成本不过是30到40万美元。但相比铅笔一样呆板的运载火箭，灵活的飞机生来就是重复使用的，航空航天不分家，工程师们做熟不做生，复用运载器带上翅膀不是天经地义的么？

大名鼎鼎的冯·布劳恩不仅研制了V-2火箭，参与了土星5号火箭的研制，还曾为《科利尔》杂志撰稿，描绘了载人火星蓝图。冯·布劳恩火星计划使用“渡船火箭”（Ferry Rocket）将火星飞船部件送入太空，“渡船火箭”是一种三级全重复使用火箭，为了飞回来设计了三对机翼，它可以把25吨重的飞船部件送入1730千米高度的停泊轨道。“渡船火箭”总重高达7500吨，它的第一级就重6400吨，是日后土星5号火箭全重的两倍还多。为了在地球轨道上建成10艘大型飞船组成的火星舰队，要制造46枚“渡船火箭”进行950次发射，平均每枚“渡船火箭”复用20次以上。当然，冯·布劳恩低估了大型火箭和复用运载器的难度，更不要说天地往返的难度了，“渡船火箭”由始至终只有想象图和模型。

“渡船火箭”只是个美好的想象，但有翼式复用运载器可是风行一时。美国和苏联都竞相研制带“翅膀”的航天复用运载器，美国的航天飞机是其中最经典的代表。航天飞机拥有一对三角翼，可以进行远距离滑翔返回机场着陆，它号称要革命性地降低航天发射的成本，航天工程师更不要说科幻作家都期待航天飞机带来太空大开发的时代。不过，航天飞机正式服役后却让人大失所望，它的单次发射成本甚至比一次性的大力神火箭还要贵，这就实在令人尴尬了。即使美国宇航局后来用建造空间站来给它强行续命20年，但2011年航天飞机还是黯然落幕了。

▲布劳恩和渡船火箭模型

▲渡船火箭

▲俄罗斯安加拉火箭将装备可折叠翼板

有翼式的致命缺陷

美国航天飞机降低发射成本的努力失败了，这可不是美国一家的问题，苏联的暴风雪号航天飞机同样昂贵，而欧空局和日本的航天飞机只停留在纸面上。为什么有翼式复用运载器的研究在轰轰烈烈后逐渐沉寂？这是因为它有致命的短板！

就以航天飞机来说吧，1972年尼克松批准拨款26亿美元研制航天飞机，而此前预研阶段就花了4.9亿美元，这可是20世纪70年代的30亿美元。然而它能运多少物资上天呢？早期是29.5吨,后来出于安全考虑降低到25吨，而一次性的运载火箭，以1984年研制的大力神IV火箭为例，它的最大运力21.5吨，但研制费用只有4.27亿美元。简单地说，由于要考虑重复使用的因素，尤其是采用航天飞机这种有翼式轨道器设计，同等运力下有翼式复用运载器的研制成本要比一次性运载火箭高太多！

当然，即使研制和制造成本很高，但航天发射中推进剂成本只是九牛一毛，只要重复使用大获成功，复用运载器降低发射成本仍然前途光明。再以大力神IV火箭为例，它的发射价格就有2.2亿美元，航天飞机研制费用就算高了30亿美元，20次发射下来不就摊平了么？然而事情没那么简单。航天飞机轨道器可以入轨并返回，但一级半方式入轨需要高比冲的发动机系统，轨道速度再入大气层返回需要复杂的热防护系统，结果航天飞机发射成本高，同时需要复杂的地面维护。航天飞机原计划一个月甚至一周发射一次，每架航天飞机重复使用100次，服役后发现目标实在鞭长莫及。同一架航天飞机的周转周期从没有缩短到一个月内，至于复用次数，美国5架航天飞机在30年里总共飞行了135次，单架100次复用的目标就实在是水中月镜中花了。

航天飞机的研制成本高，但重复使用次数太少，没能有效摊薄研发成本；航天飞机这么复杂娇贵的系统，维护保障团队需要花巨资维持，但它地面维护检修复杂繁琐，花费时间还长，维护成本也水涨船高。美国原计划投资160亿美元，制造2架试验机和3架服役的航天飞机，整个服役期间进行439次发射，这样每次发射只有3600万美元，但最终航天飞机发射价格高达4亿美元，这不仅让通过复用降低发射成本成为黄粱一梦，发射成本甚至比一次性火箭还要贵。说到这里，大家也应该明白有翼式的根本问题了：它研制成本太高，维护成本也不低，这就需要高复用次数和高发射频率来平摊成本。如果无法重复使用那么多次，或是发射频率没那么高，那发射成本必然暴涨，价格对比一次性火箭全无优势。

航天飞机研制使用成本高，它需要入轨和返回是重要原因，如果把传统火箭第一级做成有翼式重复使用运载器，是不是就能降低成本呢？这个思路降低了复用难度和研发成本，然而理论探讨也不容乐观。俄国人曾提出“贝加尔”飞回式有翼助推器的概念，时隔20年后又拖出来亮相，美国当年也提出过LFBB和StarBooster等飞回式有翼助推器概念，但即使是为航天飞机论证的LFBB都没能脱离纸面。飞回式有翼助推器同样面临和航天飞机一样的困难，它们研制和维护成本高，但哪里有那么多发射需求摊薄成本呢？美国空军研究发现，一个飞回式有翼液体助推器，如果一切顺利也就能降低40%的发射成本，但没有每年十几次甚至更多发射，它的发射成本甚至比一次性火箭还高。美国空军曾启动过复用助推器系统研究，最终还是只听楼梯响不见人下来；美国先进研究项目局（DARPA）倒是有一个XS-1项目，XS-1具备将最重3000磅/1360千克的载荷发射入轨的能力，它的目标是每年至少10次的发射频率下，发射费用降低到500万美元。DARPA在公私合营模式下只提供了1.4亿美元，剩下的研制资金需要波音公司自带干粮。波音只好搜罗旧货，用翻新的SSME发动机和现成的飞控软件，其前景实在不容乐观。

▲航天飞机

▲XS-1飞行器

复用火箭的挤压

有翼式复用运载器的发展步履维艰，目前无论是英国大型新概念的云霄塔（Skylon）还是使用美国小型火箭发动机的XS-1，未来仍然前途未卜。与此同时，运载火箭的重复使用却获得突破，进一步挤压了有翼式运载器的生存空间。

2013年9月美国DARPA提出XS-1方案时，猎鹰9号火箭重复使用还是天方夜谭。同年9月29日“猎鹰9号”发射成功，但一级火箭再入后砸到海面上。2014年两次试验中猎鹰火箭在海面软着陆成功，但2014年9月又砸到海面上。2015年1月和4月的发射中，海上回收平台的两次着陆都以失败告终。2015年12月22日猎鹰火箭第一级在陆上成功垂直着陆，但还有无数人言之凿凿的说，海上环境复杂小平台无法成功降落，接下来2016年4月8日猎鹰火箭就在海上平台降落成功了。2017年3月30日，猎鹰9号回收第一级再次投入发射，到现在复用发射成功已经司空见惯。

▲美国空军曾经预研的复用运载器

▲发现号航天飞机

然而XS-1在干什么呢？2014年DARPA正式发布合同，第一阶段合同完成后，2016年4月7日又发布第二阶段合同，次日猎鹰9号就在海上成功降落回收。2017年5月DARPA选定了波音公司研制XS-1，这时“猎鹰9号”都已经完成首次复用发射了。XS-1计划2020年实现首次轨道发射，现在猎鹰9号Block5型火箭也发射回收了，它不需专门维护就能重复使用10次以上。马斯克表示今年就有望看到同一枚Block5型火箭进行第3次甚至第4次发射，明年看到第10次发射，而它的终极目标是挑战连续100次重复使用！

对比复用的猎鹰火箭，XS-1复用方案除了带有机翼，进度上实在差得太远了。不过话说回来，有翼式复用运载器起了个大早，赶了个晚集，关键是成本降不下来，那么它们的成本又如何呢？XS-1的目标是3670美元/千克，而现在一次性的猎鹰9号火箭就做到了2720美元/千克，进一步复用后成本还能降低。XS-1复用运载器既不能发射大型卫星，单位发射成本还更高，受到复用火箭的挤压后，有翼式的复用运载器前途就更黯淡了。