低成本、高可靠、可重復使用——Space X公司產品技術特點分析

□ 袁宇

編者按：2014年4月18日Space X公司的“獵鷹”9號V1.1型火箭執行國際空間站貨運發射任務時，第一級箭體成功實現了受控再入和軟落水。一周后，在一次新聞發布會上，Space X 首席執行官艾倫·馬斯克又宣布，該公司正向美國聯邦索賠法院提起訴訟，對美國空軍就未來幾年內的36次太空發射項目簽訂的一份批量采購合同提出異議。Space X公司雖然與波音、洛克希德·馬丁等大型航天企業相比還是個小公司，但近年來名聲鵲起，獵鷹系列運載火箭及“龍”飛船都已投入使用，并以其低廉的成本吸引了公眾的眼球。那么，Space X公司的火箭到底有什么獨門秘籍，可以大幅度降低成本呢？本刊特別邀請北京航天動力研究所的技術人員袁宇撰寫了系列文章，嘗試剖析該公司的火箭、發動機、飛船的技術特點，以解開獵鷹系列火箭低成本之謎。

Space X公司目前研制的獵鷹（Falcon）系列運載火箭有“獵鷹”1、“獵鷹”9、“獵鷹”9V1.1、“獵鷹”9 重型四個型號。這些火箭是按照模塊化、通用化、組合化、批量化的原則設計、研制和生產的。火箭在設計上強調高可靠、低成本、容易操作。“獵鷹”1是一枚小型運載火箭，曾經進行了5次發射，現已經停止生產。“獵鷹”9是中型運載火箭，已經成功發射了5次，把第一個私營公司制造的貨運飛船送進了太空并成功回收，目前已經被升級版“獵鷹”9V1.1所取代。

“獵鷹”9V1.1火箭是為了滿足可重復使用要求，增加了一級貯箱的長度，容積增加30%，以容額外的返回減速所需的推進劑，起飛推力增加了56%，起飛重量增加了52%到506噸，近地軌道運載能力增加26%到13.15噸。單從外表看的話，“獵鷹”9像一支簽字筆，而“獵鷹”9V1.1更像一支細長的鉛筆。“獵鷹”9重型火箭是在“獵鷹”9V1.1的基礎上，兩邊各捆綁一個V1.1的芯級組成的。

“獵鷹”9和“獵鷹”9V1.1、“獵鷹”9重型的對比

Space X網頁上公布的“獵鷹”9V1.1和“獵鷹”9重型運載火箭的發射價格

Space X最引以為傲的是獵鷹系列火箭的低成本，下圖是Space X公司網站上公布的發射價格。“獵鷹”9V1.1每次發射價格為5650萬美元，“獵鷹”9重型每次可以將53噸載荷送入軌道，每次發射價格僅在7710萬～1.35億美元之間。相比之下，航天飛機每次發射費用高達4.5～5億美元；聯合發射聯盟（ULA）的德爾塔IV重型運載火箭，每次發射費用為4億美元；歐洲阿里安5火箭每次發射價格2～3億美元。

Space X公司是一家有著鮮明的技術特色和強烈進取心的企業，在新理念、新技術的應用上，甚至走在了美國航宇局（NASA）的前面。交叉輸送、動力冗余、垂直起降重復使用、下一代大推力發動機等等先進的技術，都敢于第一個去應用。相比之下，NASA提出的“太空發射系統”，主發動機、助推器、貯箱等關鍵系統，都是在原航天飛機的相應系統上小改而來，技術上裹足不前，而且動輒需要幾十億的投入。兩相對比，不禁令人感嘆NASA廉頗老矣！Space X等私營航天公司，是美國航天工業的希望所在，是逃離臃腫的舊機制，在新的模式下的重生。

Space X公司的產品設計中，強烈地體現了其領導者艾倫·馬斯克個人夢想：低成本、高可靠、可重復使用。所有的技術路線，都是圍繞這些夢想而確定的。夢想引領技術發展，這是Space X公司最大的特點。另一方面，Space X是一個僅有4000人不到的公司，領導者的夢想和路線，可以得到深入貫徹，底層技術人員明白領導層的目標是什么、想要什么，這一點是那些大公司大機構所不具備的。

作為一家自負盈虧的私營航天公司，在其產品的可靠性未獲得市場的廣泛認同前，低成本是其唯一的賣點。而目前的航天發射，其基本特點是：載荷的價值，遠遠超過火箭的價值。一顆通信衛星的價格動輒幾億美元，一顆大型探測器十億美元輕松平常，更遑論載人火箭涉及的是人的生命。在這種情況下，只有高可靠的火箭才能得到市場的青睞，離開了高可靠性支撐的低成本是沒辦法在市場中存活下去的。Space X公司，能不能實現低成本和高可靠性兼得呢？從技術特點來分析，“獵鷹”系列火箭和龍飛船擁有低成本、高可靠性的客觀技術基礎，通用化、批量化讓其擁有了制造質量基礎。而批量生產的前提，是其發射累計成功數據得到市場的充分認可，因此對于Space X公司來說，保證當前每一次發射的成功是最重要的事。從歷史經驗來看，火箭發射成功，技術和制造是基礎，人的因素才是決定性的。如何避免因為人的因素造成失敗，避免因多次成功帶來的麻痹大意，這些對于Space X來說，將是全新的挑戰。