火箭：從消耗品到耐用品

十五層樓高的火箭向地面墜落下來，減搖鰭劇烈地震動著，尾噴口不斷噴出熾熱的火焰以保持火箭穩(wěn)定。看起來這像是要注定奔向墜毀的一次飛行，但當火箭接近地表，發(fā)動機推力驟然增強，火箭的下落速度明顯放緩，砰的一聲，登陸支架從火箭尾部彈出。隨著滾滾濃煙散盡，火箭穩(wěn)穩(wěn)地直立落在地面，完好無損。

直到十年前，上述場景還只是科幻電影中的畫面。但在經(jīng)歷了數(shù)次失敗之后，美國民營火箭制造商SpaceX公司在過去半年里四次回收了運載火箭——第一次是2015年12月在佛羅里達州卡納維拉爾角回收的，最近一次是今年4月首次在大西洋中部的遙控駁船上回收的。而這些并不是試驗專用的火箭，而是剛剛將商用航天飛船發(fā)射入軌道的“獵鷹9號”火箭的46米長的第一級火箭。通過將返回的火箭進行翻新和再利用，SpaceX公司的創(chuàng)始人、億萬富翁埃隆·馬斯克希望最終能使火箭像商業(yè)航空飛行一樣經(jīng)濟。他認為，既然民用客機不會在每次飛行后被扔掉，那么為什么運載火箭就不行呢？

火箭重復使用好在哪兒？

自從1944年納粹德國向倫敦發(fā)射V-2火箭以來，絕大多數(shù)運載火箭都是一次性使用的。發(fā)送1千克物體上太空的成本在1萬到2萬美元之間，用一次扔一次的使用方式使得航天發(fā)射成本居高不下。以SpaceX公司的“獵鷹9號”火箭為例，其總造價為5000萬美元，而火箭燃料的成本只有20萬美元，僅占火箭成本的0.4%。因此，SpaceX公司一直在研究如何回收以及重復使用運載火箭的有關技術，以大大降低航天發(fā)射成本。如果能回收并重復使用火箭的第一級，將可降低火箭成本80%；而如果第二級也能回收并重復使用，則可降低火箭成本99%。

所以，火箭可重復使用帶來的第一大優(yōu)勢就是大大降低了發(fā)射成本。上面提到的只是火箭制造成本。開發(fā)和研制一種火箭發(fā)動機同樣花費不菲，需要做大量的地面試車工作。如果能夠開發(fā)出可多次使用的火箭發(fā)動機，就可以節(jié)省大量費用。此外，火箭發(fā)動機如果是小批量生產，每一小批量都需要進行一定百分比的抽檢試驗，這需要耗費相當?shù)娜肆Α⑽锪蜁r間；而可回收的發(fā)動機，一次抽檢、一次驗證，便能多次使用，可以降低抽檢次數(shù)。當使用次數(shù)達到一定數(shù)量后，每次重復使用火箭發(fā)動機的檢修費用就會低于抽檢費用，這將會達到節(jié)約成本的目的。

第二大優(yōu)勢是安全。通過開發(fā)可重復使用技術也可提升火箭發(fā)射的可靠性，并降低風險。考慮到工藝穩(wěn)定性、技術成熟度等多方面因素，新研制的火箭本身就存在一定的風險。然而，對可回收的火箭發(fā)動機而言，它已經(jīng)有過多次飛行驗證，具備較高的技術成熟度，這在一定程度上提高了發(fā)射可靠性。

第三大優(yōu)勢是縮短火箭發(fā)射周期。隨著探索太空的步伐加快，航天發(fā)射市場的需求也在不斷擴大，火箭發(fā)射也將越來越頻繁。傳統(tǒng)的運載火箭，即使是成熟的型號，從接到訂單到備料生產，到抽檢試驗、最后發(fā)射，整個過程大約需要一年半的時間，這已經(jīng)難以滿足快速擴張的市場需求。而可回收的火箭，只需經(jīng)過短時的檢測、維修、組裝，就能再次投入使用，這將大大縮短火箭生產周期，從而提高市場反應能力。

最后，可回收火箭能夠從根本上解決火箭殘骸墜落問題。火箭殘骸落地是各國進行航天發(fā)射時都要面臨的問題，對火箭殘骸的落點進行更為精確的控制，一直是科研人員不斷努力的方向。而可回收火箭在完成發(fā)射任務后受控降落，將會一勞永逸地解決火箭殘骸墜落的問題。

從科幻到現(xiàn)實

1930年4月，一群為雨果·根斯巴克創(chuàng)辦的《科學奇異故事》雜志投稿的作者聚集在一起，促成了美國火箭協(xié)會的誕生。1931年初，雜志創(chuàng)始人大衛(wèi)·拉瑟在博物館安排了一次公共聚會，主題為“火箭登月”。這次聚會最吸引人之處是安排放映了英文版的《月亮上的姑娘》。拉瑟把該片的愛情鏡頭剪輯掉，將它宣傳為“表現(xiàn)了一枚幻想的但在科學上可實現(xiàn)的火箭的真實登月過程”。影片中的火箭就是一枚在地球上點火發(fā)射、又在月球上再次點火降落的可重復使用火箭。歷史學家認為，該協(xié)會為美國火箭工業(yè)后來的發(fā)展打下了牢固的基礎。

其實，早在20世紀20、30年代，人們就認為火箭應該是可重復使用的。當時的美國科幻漫畫如《巴克·羅杰斯》和《飛俠哥頓》中已經(jīng)提出這個想法，里面的每一艘飛船、每一枚火箭都是可以反復使用的。

第二次世界大戰(zhàn)結束后，被俘的德國火箭科學家透露，他們曾計劃建造一架亞軌道太空飛機，納粹希望利用這架代號為“銀鳥”的空天轟炸機轟炸美國，不過這個計劃后來并未實現(xiàn)。“銀鳥”有一個特別的設計，它的形狀像一個翅膀，因此有助于產生氣動升力。1958年，美國空軍開始利用這一想法設計一種可回收的羽翼形狀的太空飛船，但由于登月計劃的出現(xiàn)，這架代號為“X-20 Dyna-Soar”的飛船遭到了擱置。

阿波羅登月計劃成功后，美國國家航空航天局重新開始了其念念不忘的計劃：打造可重復使用的、有翼的太空飛機——航天飛機。之后打造的五架航天飛機，平均每架進行了27次飛行任務。然而，在使用過程中，航天飛機暴露出系統(tǒng)復雜、每次飛行后維修費用高昂的弊端；再加上可靠性問題，這些都影響了航天飛機的使用價值。因此，在經(jīng)歷了三十年一百多次飛行后，美國決定終止航天飛機項目。不過，這并不意味著可重復使用的航天器過時了，也許恰恰相反，它超越了當時那個時代。

航天飛機的一個弊端是每次發(fā)射中間都需要進行翻新，SpaceX公司的可回收火箭也必須如此。盡管SpaceX已經(jīng)成功回收了火箭，但是他們尚未對回收的火箭進行再次發(fā)射。這才是他們面臨的真正考驗。如果可以重新使用火箭的所有部件，下一次發(fā)射就省錢了。但如果把火箭完全拆開進行翻修，那么相當于每次發(fā)射都重新造了一枚火箭。

早在20世紀90年代末，麥道公司就開始用“三角快帆”飛行器試驗動力反推垂直下降技術。“三角快帆”是世界上第一種以火箭發(fā)動機為動力、垂直起降的完全重復使用運載器。它進行了四次飛行試驗，最大飛行高度3155米，然后像直升機一樣，用四臺小發(fā)動機反推減速，最終達到平穩(wěn)著陸的目的。后來由于在第四次飛行試驗中“三角快帆”被燒毀，該計劃提前結束。不過，“三角快帆”的垂直起降試驗表明，火箭采用動力反推垂直下降技術是可行的。然而，要實現(xiàn)運載火箭的垂直起降需要攻克四大關鍵技術。

火箭回收四大難題

“獵鷹9號”一級火箭高達46米，重心很高，要在風浪很大的平臺上站穩(wěn)很不容易。在海上回收火箭的難度，相當于在暴風雨中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上。SpaceX海上平臺的面積是50米×70米，火箭著陸時，四個支架的展開半徑有23米左右，偏離一點就失敗了。

要完成如此高精度、高難度的火箭回收，需攻克四項關鍵技術：

一是控制好火箭姿態(tài)和落點精度。與航天飛機水平著陸不同，火箭回收是垂直著陸。火箭要以垂直的姿態(tài)降落，必須解決姿態(tài)控制問題，而越是豎長的物體，就越難以控制。火箭造型細長，落地姿態(tài)不正就容易倒下。因此，需要解決大長徑比的發(fā)動機垂直降落的姿態(tài)控制、支撐結構設計等一系列難題。

二是火箭發(fā)動機推力可調、可多次啟動。火箭回收時要點火反推，這個克服重力的過程不斷消耗燃料，火箭總質量也不斷變化。這就需要發(fā)動機推力可以調節(jié)，當質量下降時，推力要同步減小，否則火箭容易向上翻滾。在回收過程中，火箭發(fā)動機要在推力和方向上不斷地調節(jié)和調整來進行精確控制，使下落速度從最初的每秒3000米降到最終的每秒2米。這對燃燒室、渦輪泵、閥門等各組件的要求都很高。

三是克服再入隔熱技術，需要研制一種新型隔熱復合材料。由于有“阿波羅”登月艙等技術作為基礎，使得一級火箭的垂直返回回收技術難度相對較小。未來要做到二級火箭回收，將面臨更加嚴酷的氣動熱環(huán)境。

四是著陸支架技術。接觸著陸平臺后，還需著陸架進一步緩沖和減少震動。

火箭的重復使用，對火箭發(fā)動機核心部件的性能和壽命提出了更高要求。目前，火箭發(fā)動機的設計壽命、試車時間都是以秒為單位計算。對于火箭來說，保證材料和相關設計在短時間頂?shù)米∈且粋€問題，確保延長使用壽命又是另外一個問題。航天飛機的主發(fā)動機的燃燒室壓強高達207個大氣壓，燃燒室的工作溫度約為3300℃。目前最先進的渦扇發(fā)動機渦輪溫度不到1700℃，其中一個小小的渦輪泵的功率就是目前最先進的主戰(zhàn)坦克發(fā)動機功率的數(shù)十倍。讓這樣的發(fā)動機順利工作一次（幾百秒）就已經(jīng)非常困難，而要重復使用多次，材料和工藝都必須要有巨大的飛躍。

一級火箭成功回收只是一個開始，僅僅意味著這項技術具有可行性，想要真正掌握這一技術，還需要通過多次試驗驗證其可靠性。若要驗證火箭的發(fā)動機是否可以重復使用，還要進一步驗證回收二級火箭的可行性。因此，雖然試驗取得成功，但技術成熟至少還需3到5年。SpaceX接下來將進行多次回收火箭的點火實驗，檢測其發(fā)動機、箭體結構和電氣設備能否重復使用，再將其發(fā)射升空并回收。如此反復多次，才能使一級火箭回收與重復使用技術成熟起來。

回收能力大比拼

其實，“獵鷹9號”火箭并非第一枚成功回收的火箭，而是第一枚成功實現(xiàn)回收的軌道運載火箭。因為2015年11月24日，亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯旗下的“藍色起源”太空公司成功將“新謝潑德號”火箭發(fā)射到約100千米的高度，火箭隨后又成功返回發(fā)射場。這是全球第一枚發(fā)射升空后又完好無損返回地面的火箭。不僅如此，藍色起源公司還于2016年1月把回收的火箭再次發(fā)射并令其成功在陸地上軟著陸。

要分析兩者孰優(yōu)孰劣，看看火箭參數(shù)就十分清楚了。“新謝潑德號”火箭屬于單級運載火箭，發(fā)動機推力為50噸級。這意味著這款火箭的質量并不大，屬于迷你型火箭。SpaceX公司的“獵鷹9號”是兩級運載火箭，起飛質量約500噸，相當于新謝潑德火箭的10倍。“獵鷹9號”目前回收的是第一級火箭，第二級還沒有回收；“新謝潑德號”火箭返回的是整體，這是兩者的根本區(qū)別。在設計方面，“獵鷹9號”火箭第一級分離后進入滑翔狀態(tài)，然后再掉轉方向尾部朝下返回地面。

而且，這兩種火箭的用途并不相同，在商業(yè)上沒有競爭關系。藍色起源公司開發(fā)“新謝潑德”火箭的目的非常明確，就是搶占亞軌道的旅游市場，該公司的競爭對手不是SpaceX公司，而是諸如維珍銀河這樣的亞軌道旅游公司。維珍銀河也有亞軌道旅游方案，只不過是用安裝火箭發(fā)動機的飛機，不是運載火箭，藍色起源公司則用火箭做旅游載具。火箭發(fā)射時的推背感和飛機從跑道上起飛的感覺是不一樣的。

“獵鷹9號”火箭的目標是將有效荷載運送到近地軌道，無論飛行高度還是速度都和進行亞軌道發(fā)射的運載火箭不是一個量級。而且“獵鷹9號”火箭第一級的長徑比遠遠大于“新謝潑德號”火箭，其控制難度更大，回收難度也更大。

未來的沖擊

重復使用將是未來運載火箭發(fā)展的一個趨勢，無論在商業(yè)上還是在軍事上都有潛在的價值。除了美國，歐洲、日本、印度都在對相關技術進行預研。2015年1月5日，法國宣布已開始與德國等國開展小型技術研究項目，研制以液氧/甲烷為燃料的可重復使用火箭。2015年4月，與美國軍方關系密切的航天公司“美國發(fā)射聯(lián)盟”公布了名為“火神”的新一代軍用運載火箭的設計，預計將在2024年后達到實用水平。

目前，我國的火箭可重復使用技術仍然處于探索階段。最新的消息是，2015年11月，中國運載火箭技術研究院成功完成火箭子級回收群傘空投試驗，離實現(xiàn)火箭可重復使用又近了一步。

火箭的重復使用，將給衛(wèi)星產業(yè)帶來革命性變化。因為發(fā)射費用很便宜，如果衛(wèi)星壞了，再發(fā)射一顆填補空缺便是。這就意味著我們能設計比現(xiàn)在便宜得多的衛(wèi)星，而不必再花費大量資金來確保衛(wèi)星長時間穩(wěn)定工作。

從長遠看，可重復使用火箭的普及會加速人類進入太空的步伐。目前，載人航天最大的障礙就是成本過高，限制了進入太空的人數(shù)。如果可重復使用航天技術取得了實用性進展，未來普通人也有機會進入太空游玩和工作。

一百多年前，當飛機問世的時候，乘飛機旅行只是少數(shù)人的權利。當年誰會想到，飛機會成為城市間平凡的交通工具？同理，今天乘火箭飛向太空還是宇航員的專利，但誰又敢說，未來的某一天，火箭不會成為普通人太空出行的普遍工具？到那一天，火箭也許就像飛機一樣，可以重復使用許多年。【責任編輯：楊楓】