SpaceX公司重复使用运载火箭发展分析

杨开 米鑫

（1 北京航天长征科技信息研究所 2 北京航天控制仪器研究所）

美国太空探索技术公司（SpaceX）成立之初就瞄准了火星殖民，而火星殖民最基本的前提就是大规模的航天发射。早在20世纪初，全球平均每千克的发射价格超2万美元，这让大多数人质疑SpaceX公司只是妄想，但是SpaceX公司并没有动摇和改变这一雄心勃勃的目标，而是不断调整和优化，推动自身技术和能力的进步。为了降低发射价格，SpaceX公司坚持采用“重复使用运载火箭”这条技术路径，虽然一子级伞降回收失败，但是攻克和应用了垂直起降技术，多次实现突破。作为SpaceX公司的主力火箭，猎鹰－9（Falcon－9）凭借其重复使用能力带来的超低发射价格，无论是在商业发射领域，还是在军用和民用发射领域，都建立起了极大的竞争优势。

1 发展路径

自2003年成立之后，SpaceX公司共成功研制出3型运载火箭，包括猎鹰－1、猎鹰－9和“猎鹰重型”（Falcon Heavy），猎鹰－9和“猎鹰重型”都已经成功利用垂直起降技术实现了重复使用，猎鹰－1作为其首个成功研制的火箭型号，原计划也是采用伞降回收实现一子级复用。可以看到，SpaceX公司为了降低发射价格，非常明确地选择了重复使用运载火箭作为最基本的发展路径。

从技术方案而言，SpaceX公司经历了伞降回收和垂直起降两个大的阶段。前者在猎鹰－1发射任务和猎鹰－9前两次发射任务中进行了试验，但是并没有走通。到2010年底猎鹰－9第二次发射任务，一子级在返回过程中再次因承受不住力/热载荷而损毁。伞降回收技术经历7年发展未果之后，SpaceX公司便将焦点转移到垂直起降技术。不过，伞降回收技术并没有被该公司放弃，2019年被成功应用于整流罩的回收复用计划中。而在垂直起降技术方面，SpaceX公司创始人马斯克在2011年9月正式披露猎鹰－9火箭垂直起降返回着陆方案，开启了火箭回收和复用的历程。

SpaceX公司重复使用运载火箭的发展历程主要以猎鹰－9火箭的垂直起降重复使用技术为核心逐步改进和演变，大致可以分为三大阶段：技术验证阶段、型号迭代升级阶段和稳定应用阶段。

2 技术验证阶段

SpaceX公司在攻克垂直起降技术的过程中，采用了验证机飞行试验+发射任务验证相结合的方式，以最接近飞行状态的硬件系统验证技术，更注重应用。从2010年启动研制到2015年首次成功回收一子级，大约用了5年时间完成了研制和转化应用。这种方式与传统的技术预研和转化方式形成了鲜明对比。

验证机的飞行试验

SpaceX公司的“蚱蜢”（Grasshopper）和猎鹰－9R-Dev两型验证机的研制和飞行试验耗时仅4年左右。这两型验证机直接取用猎鹰－9火箭的一子级，安装着陆支架、栅格舵及其他配套的软硬件，并对发动机的数量进行调整，以最接近发射任务的状态进行试验。

“蚱蜢”验证机以猎鹰－9 v1.0火箭一子级为基础改造，高约32m，仅装有1台隼-1D发动机，配有4个金属着陆支架。“蚱蜢”在飞行试验过程中发动机全程保持工作，通过发动机推力调节和推力矢量控制，实现上升、悬停、减速和着陆。“蚱蜢”共进行8次飞行试验，最大飞行高度为744m。SpaceX公司借此实现垂直起降技术的突破，初步掌握了发动机推力大范围调节、姿态调整和主动转向、稳定着陆和支撑的能力。

“蚱蜢”验证机的着陆支架

不过，“蚱蜢”是基于猎鹰－9 v1.0一子级改进的，与后续型号有比较大的差距，着陆支架也并非最终状态。为此，SpaceX公司又基于猎鹰－9 v1.1开发了猎鹰－9R-Dev验证机，高约42m，装有3台隼-1D发动机，利用4个栅格舵和冷气反作用控制系统辅助姿态控制，配有4个复合材料-铝合金着陆支架，基本接近于后续型号的飞行状态。猎鹰－9R-Dev共进行5次飞行试验，最大飞行高度达到1000m，对控制算法、栅格舵、着陆支架、新的执行机构、着陆悬停时间调整等进行了充分的验证。虽然猎鹰－9R-Dev在最后一次试验中因传感器故障触发自毁系统而损毁，但是SpaceX公司已经积累了很多经验，并结合同期进行的实际发射任务中的验证活动，逐步掌握了垂直起降技术，所以后续未再进行更多的验证项目。

猎鹰－9R-Dev准备着陆，着陆支架和栅格舵都处于展开状态

发射任务中的技术验证

在开展验证机飞行试验的同时，SpaceX公司选择在实际发射任务中对垂直起降技术进行验证，使技术验证和技术应用同步化，而不是将两者作为相互独立的过程。

发射任务中的技术验证伴随猎鹰－9 v1.1投入使用就立即开始，由于猎鹰－9 v1.1为垂直起降回收而进行了改进，改变了此前猎鹰－9 v1.0伞降回收的技术路线。在正式开展火箭回收之前，猎鹰－9 v1.1共执行了8次发射任务。在其中的4次低轨任务中，猎鹰－9 v1.1完成载荷部署后，一子级都进行了受控返回试验（当时火箭运载能力还有欠缺，未在另外4次高轨任务中进行验证）。

在4次技术验证中，SpaceX公司通过渐进方式一步步地对发动机重启、返回弹道、姿态控制、推力调节、着陆支撑等技术进行验证，而非一蹴而就。2013年9月，猎鹰－9 v1.1首飞，其一子级在返回过程中，发动机第一次重启成功，将一子级送入再入轨道，但是发动机第二次重启后因箭体滚转失控而提前关机；2014年4月，猎鹰－9 v1.1首次安装着陆支架，返回过程中不仅发动机重启成功，火箭姿态得到控制，着陆支架也成功展开；2014年7月，返回过程非常顺利，而且降落到预定位置，回收精度得到验证；2014年9月，SpaceX公司不仅对回收过程进行了验证，而且还和美国国家航空航天局（NASA）合作利用飞机搭载的观测平台获取一子级返回过程的红外数据，为热防护系统的优化改进提供帮助。

3 型号迭代升级阶段

经过大约4年的技术研发和验证活动之后，SpaceX公司很快开始了垂直起降技术的应用实践：①2015年1月，首次利用海上平台回收一子级，但以失败告终；②2015年12月，首次在陆地上成功回收火箭一子级（2次失败后）；③2016年4月，首次成功利用海上平台回收一子级，基本掌握了垂直起降技术（4次失败后）；④2017年3月，首次成功利用回收的一子级再次发射，实现运载火箭的重复使用。

同时，围绕垂直起降重复使用方案的技术需求，对猎鹰－9进行迭代升级，不断将技术改进融入到型号产品，经过5年时间、4个型号的迭代，形成了猎鹰－9-B5最终构型。

猎鹰－9火箭为重复使用而进行的改进

4 稳定应用阶段

完成猎鹰－9-B5最终构型之后，SpaceX公司的垂直起降重复使用技术进入了稳定应用阶段。根据马斯克对猎鹰－9-B5构型的介绍，在很少维护的情况下就可以实现重复使用10次，在充分维护的情况下最多可以复用100次。随着火箭复用能力的提升，回收和复用的成功率也在不断提高，相关纪录也不断被刷新。截至2020年8月23日，猎鹰－9共执行了90次发射任务，其中：

1）进行回收的发射任务共60次（海上48次，陆地12次），成功52次（海上41次，陆地11次），失败8次（海上7次，陆地1次），成功率87%；

2）全部发射任务共使用55枚火箭一子级，即有35次发射任务均由回收复用的一子级执行，占比39%；

3）同一枚火箭一子级最多执行过6次发射任务，共有1枚，且已经成功回收，还有进一步提高复用次数的可能性；另有2枚火箭一子级执行过5次发射任务，其中有1枚已经损毁，未能回收。

在猎鹰－9取得成功的基础上，“猎鹰重型”天生就具备重复使用的能力，截至2020年8月23日执行的3次发射任务中，不仅成功利用回收复用的猎鹰－9一子级执行发射任务，而且6枚捆绑助推器全部回收成功。不过，由于芯级的工作时间长、返回速度高、推进剂余量少，回收难度还比较大，尚未完全回收成功。

SpaceX公司在重复使用技术上的突破和稳定应用，给发射价格和发射周期带来了显著影响：

1）虽然SpaceX公司官方网站上猎鹰－9的价格一直保持在6250万美元，但该公司表示采用复用一子级的猎鹰－9的发射成本低至3000万美元。另外，猎鹰－9在2019年和“飞马座”（Pegasus）小型火箭竞争，以5030万美元的价格竞标获胜，得到NASA一个小型载荷的发射订单，也从侧面说明其发射价格已经显著降低。

2）除价格以外，重复使用能够在一定程度上缩短发射周期，提高发射服务的周转能力，满足更频繁进入空间的需求。采用回收复用一子级的猎鹰－9发射任务的平均周转时间（即距离该一子级执行上次发射任务的时间）为155天，最短的周转时间仅为51天。相比于制造一枚全新的火箭，采用重复使用运载火箭能够显著提高快速履约能力。

5 未来发展

SpaceX公司在猎鹰－9成功实践垂直起降复用技术，形成猎鹰－9-B5稳定构型之后，开始将重心转移到“星舰”（Starship）的研制上，瞄准火星殖民的终极目标。目前，SpaceX公司已经利用“星虫”（Starhopper）、MK1、SN2、SN3、SN4、SN5 等6型验证机开展了大量地面试验。地面试验也遭遇多次挫折，出现过静压试验中的结构损毁、试车过程爆炸等意外情况。但验证机数量仍在快速增加，技术迭代的速度非常快，保持着SpaceX公司在新技术研发上的一贯风格。

6 小结

SpaceX公司能够在垂直起降重复使用运载火箭上取得成功，离不开美国整个航天工业基础的支撑，同时公司自身在管理和工程上也有很多先进之处。首先，明确的技术路线和目标是SpaceX公司成功的重要前提。SpaceX公司在火箭研制过程中非常坚定地选择重复使用这条路线，在伞降回收不可行之后，迅速做出改变，采用垂直起降，围绕这一目标，不断对火箭进行改进和升级。其次，技术验证和飞行任务相结合是实现垂直起降技术快速应用的重要途径。SpaceX公司没有将技术验证计划孤立起来，而是利用最接近于飞行状态的硬件进行试验，或者直接在发射任务中进行验证。最后，型号技术状态的快速迭代是SpaceX公司能够领先于众多竞争对手的重要原因。在垂直起降技术快速推进的同时，猎鹰－9的构型状态也随之进行调整，将技术的进步体现和固化到产品上，取得竞争优势。