火箭复用的颠覆式创新，SpaceX如何做到的？

　　2021年6月17日，猎鹰9号发射的GPS III SV05 | 图源：NASA
　　导 读
　　12月21日，是一个刻写了多个航天标志性事件的日子。
　　1968年的这一天，阿波罗8号发射升空，开启了人类首次飞出地球轨道的环月之旅；2015年的这一天，猎鹰9号一级火箭垂直降落在陆地着陆区，标志着全球首次轨道发射火箭陆地回收；2021年的这一天，猎鹰9号一级火箭垂直降落在一个仅有足球场大小的海上平台，这也是SpaceX历史性实现第100次回收火箭。
　　撰文 | 程亦之（宇航科普作家）
　　责编 | 邸利会
　　    
　　从1到100
　　图1  2015年12月22日发射ORBCOMM-2，编号为B1019的猎鹰9号一级火箭实现全球首次轨道发射火箭陆地回收  |  图源：Official SpaceX Photos
　　短短6年工夫，100次的回收，这一数字甚至超过了全球现役绝大多数单款火箭的发射次数；而平均每22天成功回收一次火箭，比全球现役绝大多数火箭发射节奏都要快得多。
　　凭借独一无二的火箭回收、复用技术与运营，SpaceX刷新一连串航天产业纪录——
　　截至2021年底，重复使用78次回收型火箭；
　　领先实现火箭飞船全复用模式执行载人航天（Crew-2任务）；
　　突破性实现一箭11次飞行11次回收（一级火箭编号B1051.11）；
　　自2017年首次复用火箭至2021年底，至少省下二三十亿美元发射成本；
　　创下全球每公斤承载发射单价最低（SpaceX约为1410美元/公斤，其他发射商最低5000美元/公斤）；
　　2020、2021年，创造年发射载荷数量最多、载荷质量占全球一半的纪录；
　　2020年成为最大卫星运营商，快速拥有全球最大卫星群，计划部署4.2万颗卫星的星链星座，正打造史无前例的巨型星座……
　　SpaceX这家私营发射商一跃成为全球太空快递一哥，震惊了世界，改变了行业。如今，火箭复用这一硬核技术已经撼动了整个航天发射界，让其他发射商垂涎三尺，如果不是望尘莫及，就得赶紧奋起直追……
　　复用踩过的 ＂坑＂
　　图2  2018年2月6日全球现役最强火箭重型猎鹰首飞，两枚侧翼火箭同步回收降落在着陆区  |  图源：Official SpaceX Photos
　　如果说火箭是人类征服太空的通天塔，那么复用火箭曾是几近科幻级别的太空梦想。早在20世纪60年代后期，宇航先驱者们就开始构想完全可重复使用的太空发射系统。
　　既然航空航天不分家，人们很自然首先想到借鉴航空工业——制造一种类似飞机的可多次复用的航天运载器，成了最直接的反应，十多年后诞生的美国航天飞机、苏联暴风雪号航天飞机都是这种想法的产物。
　　然而想法很美好，现实很残酷。研制、维护、运营费用太高，试图通过更高的发射频次，分摊降低发射成本的想法也过于乐观，航天飞机最终并没有实现降低发射费用的目标。
　　由于每次发射成本高达5亿美元，且发射越多，花费越大，苏联的航天飞机仅小飞过一次，美国尽管飞过135次，但遭受了两次灾难性事故，最终不得不退出历史的天空，成为复用航天史上的绝唱。
　　随着航天飞机各种问题不断暴露出来，NASA开始论证第二代航天飞机和空天飞机，著名的美国国家空天飞机 （NASP） 、 三角快帆（DC-X） 呼之欲出。
　　美国国家空天飞机采用水平起降、单级入轨的技术路线，更接近飞机的思路，但技术难度实在太大，单级入轨过于理想；三角快帆虽然长相怪异，不过在设计上更接近于垂直着陆火箭 （VTVL） ，因此测试之路走得更远。
　　尽管三角快帆和空天飞机两个项目，由于种种原因最终半途而废，不过三角快帆作为探路者的有益探索，为日后的猎鹰火箭回收开辟了新路径。
　　当然，SpaceX也不是一开始就直得要领的。
　　早在2010年 2013年，1.0版猎鹰9号经过几次试水证明：降落伞式回收是个坑——采用降落伞式回收，箭体、降落伞很容易在再入大气时被摧毁、失控。
　　反而是，同一时期并行测试的蚱蜢原型机，却能够不断突破，最终演进成为猎鹰9号回收型火箭。直到2015年12月21日，梦想照进现实，SpaceX创下全球首次轨道发射火箭陆地回收的壮举。
　　耐人寻味的是，当年蓝色起源比SpaceX整整早1个月实现火箭回收，只不过新谢泼德火箭属于亚轨道试飞，且至今依然保持这一 ＂龟速＂ 状态。而猎鹰9号成功回收的同时，承运的却是SpaceX第20次商业发射，一箭11星部署Orbcomm物联网卫星。两者起跳点从一开始就不在同一个层级。
　　此外，当年跟SpaceX一同竞争NASA货运补给订单的基斯特勒公司 （Rocketplane Kistler） ，更早起步研发一款全复用火箭，代号K-1。设计回收思路：第一级采用气囊缓冲方式着陆。但这家公司却很短命，很快于2010年破产。
　　作为老牌航天强国的俄罗斯，尽管兜里没钱但不乏创意。
　　早在2007年，马克耶夫设计局就曾提出过一款类似猎鹰9号的垂直着陆回收火箭 （VTVL） ，代号ROSSIYANKA，比2011年SpaceX公布的蚱蜢原型机足足早了4年。只可惜俄航天局有眼无珠，以技术风险太大为由，最终扼杀了开发念头。
　　为何是SpaceX？
　　图3  2020年11月22日发射Sentinel 6，这枚编号B1063.1的崭新火箭从加州范登堡发射场升空，几分钟后降落在不远处的陆地着陆区  |  图源：Official SpaceX Photos
　　SpaceX之所以最终打通复用火箭路径，是诸多因素交互作用的结果。
　　首先不可或缺的是主因。SpaceX拥有一位不怕失败的灵魂人物。
　　马斯克亲口说过的金句——＂失败越多，就越可能接近成功。如果失败得不够多，说明你还不够创新。＂ 面对垂直着陆回收火箭这类科幻般的技术攻关，如果没有主导者异常强大的抗压性、承受力，很难笑到最后。
　　反观电商出身的贝佐斯，换到太空界却变得非常保守，不断告诫研发团队：＂这是一场比赛，我希望是太空史上最安全的发射系统。＂ 于是乌龟成了蓝色起源的吉祥物，凸显出贝佐斯的 ＂龟速＂ 信条：你只有一次一步，才能更快到达。
　　至于那帮老牌航天公司，无论是航天巨头还是国家队更是不敢当先，或者受困于体制，或者被既得利益或者成就所绑架、拖累，哪有锐气和魄力去敢挑战技术创新？有的也只是亦步亦趋、跟着抄作业。
　　此外，SpaceX创新力与执行力恰好匹配，最终才能把看似科幻级的垂直着陆回收火箭变成现实。
　　当初NASA设计复用发射系统时，假设的限制条件是 ＂火箭的回归需要靠空气动力学的升力＂，于是催生了外形类似飞机的航天飞机。可是机翼巨大而沉重，空气动力学的升力大小，又得视机翼尺寸而定。机翼越大，虽然升力也越大，但在发射时也会增加重量、体积、阻力。
　　考量到这些限制后，航天飞机发射系统最终被设计成一个不伦不类的折衷方案——配有一个附加在外的巨大油箱，而且只能使用一次，航天飞机本身的滑翔能力也是相当有限。
　　相反，SpaceX彻底改变了设计思路：不再考虑什么空气动力学的升力了，就靠火箭本身动力。
　　其大胆之处在于需要重新点燃火箭发动机，挑战在于必须预留足够燃料，来减缓火箭降速 （燃料也很重，还不能保留太多） ，还得依靠精湛的控制系统，以便稳定着陆过程。
　　一旦敲定整体设计思路，剩下来就是百折不挠的执行力、各个击破的创新力，最终得以实现敢为天下先的垂直着陆回收模式。
　　其实，SpaceX不管是垂直整合、技术创新、低价高效、成本管控，还是卓越的创新力加上罕见的执行力，早已被一遍遍反复检验过，因此才会成就如今太空领域的大赢家。
　　全球跟进
　　图4  2021年6月17日发射GPS III SV05，一枚编号B1062.2的二手火箭即将落在海上回收平台上  |  图源：Official SpaceX Photos
　　由SpaceX开创的一级火箭回收复用模式，从最初被业界所不齿，到如今被效仿，短短几年工夫彻底改写了全球航天发射领域的市场格局和发展趋势。
　　2020年底成功首飞的长征八号，升级版CZ-8R作为国家队首款目标回收火箭正在研制中，计划2025年左右首度回收；
　　首次挑战入轨发射未果的蓝箭航天 （Landspace） ，正在研制朱雀二号甲烷液氧火箭，计划第一级采用垂直着陆回收技术；
　　中国民营商业航天首次成功发射入轨的星际荣耀 （iSpace） 正在开发的双曲线二号火箭，目标也是实现垂直着陆回收；
　　星河动力 （Galactic Energy） 研制的帕拉斯一号火箭，设计目标也将实现多次复用，现计划2022年下半年试飞；
　　美国火箭实验室 （Rocket Lab） 发布的中子火箭，采用一级火箭+整流罩一体化垂直回收模式，瞄准2024年首飞；
　　蓝色起源 （Blue Origin） 试图打造新一代复用型火箭新格伦；
　　联合发射联盟 （ULA） 希望通过火神火箭进入复用航天俱乐部；
　　相对论太空 （Relativity Space） 正在研制的人族R（Terran R） ，同样瞄准垂直回收复用能力；
　　俄罗斯航天局 （Roscosmos） 试图把阿穆尔火箭（Amur） 打造成复用回收型火箭；
　　欧空局 （ESA） 寄希望于忒弥斯（Themis） 成为复用火箭；
　　印度空间研究组织 （ISRO） 期待自家下一代火箭RLV TSTO有朝一日实现回收……
　　不过，纵观全球，不管是国家队还是老牌劲旅，即便从眼下开始算起，最起码至少也得5 10年才能初步掌握回收/复用火箭技术。
　　到那时，一路遥遥领先的太空一哥SpaceX，已经成为地球轨道圈的 ＂价格屠夫＂，更可能成为深空界道高一丈的 ＂世外高人＂——
　　SpaceX完全有能力驾驭新一代快速全复用太空运输系统——星舰 （Starship） ；娴熟执掌超重型火箭、星舰飞船的完全复用技术；在地球空间编织点对点的全球一小时交通网；在地月轨道构建繁忙的载人月球航班；在地火之间打造定期的火星运输线……
　　这一切不再是航天白日梦，也不再是马斯克的个人梦想，而是人类跨出母星摇篮，构建跨星球文明，开启大航天时代的现实写照。
　　这一切都基于最初的复用火箭路径，未来的快速全复用模式。
　　背景知识
　　回收火箭到底有多难？
　　如果把猎鹰9号回收火箭比作一支铅笔，从发射到返回的技术难度，相当于让这支铅笔飞过帝国大厦头顶（103层，超过450米），然后再精准落到一个只有鞋盒大小的着陆点！
　　真实版的猎鹰一级火箭返航着陆阶段，质量约为27吨，箭高40米，相当于13层楼那么高，从80公里亚轨道飞回地球，经过3次发动机点火反推减速，从5倍客机速度降到客机巡航速度，再降到高铁速度，最终降至成人快走速度，这样一个圆柱体大家伙完全依靠全自动化从天而降，直至精准着陆。
　　猎鹰火箭是为了太空快递、轨道运输而生，采用两级火箭推进模式，一级火箭可以产生最大推力170万磅（770吨），通常能够飞到80公里高度，再由二级火箭接力推进，最终运送有效载荷进入预定轨道。
　　这期间，猎鹰9号一级火箭需要经过一系列复杂翻转操作，才能垂直降落在陆地着陆场或者海上回收平台。
　　一级火箭垂直回收过程包括：
　　•  两级分离——一般在80公里高度的亚轨道，一二级火箭分离，一级火箭降落滑行。
　　•  翻转——利用液氮喷气推进器进行飞行方向翻转，发动机一端朝向地球。
　　•  反推力——此时速度高达每小时4800公里（相当于普通客机巡航速度5倍多，接近4马赫），启动3个发动机，反推力减速。
　　•  展开栅格翼——减速到900公里/小时（相当于普通客机巡航速度），关闭发动机，栅格翼展开，利用升力减速、箭体姿态调整。
　　•  第二次点火——降速再次加速时，启动中心发动机，直到减速降落，再次关闭发动机。
　　•  转动栅格翼——利用栅格翼产生升力，调整飞行姿态。
　　•  第三次点火——距离着陆大约1公里时，一级火箭降落速度达到378公里/小时（相当于高铁时速），第三次也是最后一次点火反推，启动中心发动机，减速到8公里/小时（相当于成人快走的速度），展开着陆架，同时利用液氮推进器+栅格翼进行姿态微调。
　　•  垂直着陆——当发射升空大约8分钟左右，一级火箭实现精准着陆。海上回收平台面积相当于美式足球场大小，比标准足球场小一号。 复用火箭有多难？
　　回收火箭只是路径，不是目的，重复使用才是目的。
　　SpaceX如何才能复用火箭？简单来说分为如下七步：
　　•  一级火箭实现软着陆、整流罩安全回收（整流罩受控海面溅落打捞回收；二级火箭目前不能回收复用）；
　　•  陆路运输至德州麦格雷戈火箭测试基地进行复查、翻新、测试；
　　•  对9台梅林发动机进行脱油清理，采用煤油+液氧作为推进剂的梅林发动机不可避免地产生老毛病：积碳问题，需要耗时耗力拆装涡轮机才能彻底清理干净；
　　•  需要对箭体本身、燃料罐/液氧罐、栅格翼、着陆腿、整流罩等硬件进行全面检查，包括X射线复检，试图发现潜在裂缝或者其他异常；
　　•  重新装配一级火箭，执行静态点火测试；
　　•  由火箭测试基地再次运抵发射场，一二级火箭+整流罩/有效载荷进行水平整合；
　　•  发射前执行一系列复检，视情况而定是否执行发射台静态点火测试。事实上每次试射都会不可避免地对发动机造成损耗，之后整装待发，瞄准再度发射升空。
　　制版编辑  |   王乐佳