壯士斷腕還是吹牛后食言？
——細數SpaceX這些年做過的抉擇

文/ 田豐

▲ 美國現役及未來飛船集合

在2017年7月的國際空間站研發會議上，美國太空探索技術公司（以下簡稱SpaceX）創始人艾隆·馬斯克正式確認了第二代“龍”飛船的動力著陸項目（也就是反推著陸）的取消，原定于2020年的紅龍火星探測任務也隨之取消。反推著陸作為第二代龍飛船最具看點的技術特性，它的取消令業界一時嘩然。而SpaceX公司自己也表示這是一項“艱難的決定”，但終究二代龍飛船還是回到了海上傘降回收的“老路”上，一時間光環散盡，泯然眾人。唏噓慨嘆之余，從該公司一路的發展歷程來看其實也并不意外，反推著陸的取消可以說即是偶然也是必然。在SpaceX創辦至今的16年時間里，這并非其第一次大幅修改自己的研發計劃。由于公司一直堅持不上市，創始人馬斯克的強烈個人性格融入了公司日常運作當中，因此食言反復甚至是壯士斷腕般揮刀自砍某些型號和技術特性的事情不勝枚舉。然而隨著時間的推移和技術的進步，在SpaceX公司已經完成火箭回收復用，并向載人航天和衛星互聯網發起沖擊的今天，我們才發現，正是這些在外人看來難以理解的驚人之舉保全了這家公司，節約了寶貴的研發經費和時間，維持了公司的收支平衡，成就了今天的SpaceX公司。今天我們就回頭望去，看看SpaceX公司從創辦伊始，都曾經“吹過哪些牛”，又“食過哪些言”。

反推夢碎的二代龍飛船

事實上二代龍飛船反推著陸項目的取消并不能完全歸咎于SpaceX公司本身，二代龍飛船的主要客戶美國宇航局的反對也是誘因之一。二代龍飛船最早稱之為“龍騎士”（DragonRider），是一款載人/貨運通用的新型可復用飛船。在2011年航天飛機退役之后，美國一直都沒有恢復載人航天能力，只能購買俄羅斯聯盟飛船的“船票”來維持國際空間站的運轉。但俄羅斯“極不厚道”地哄抬“船票”價格，從2011年的每個座位不足4000萬美元飆升至如今的8100萬美元。忍無可忍的美國宇航局模仿“商業貨運服務”（CRS）的成功經驗，推出了“商業載人航天計劃”（CCP），并于2014年10月正式選擇波音和SpaceX公司成為項目中標方，該項目不同于獵戶座飛船的傳統研發資助模式，兩家公司可以將研發完成后的飛船用于其他載荷和乘客的發射，而該局則采用買“船票”的方式購買兩家公司的載人航天服務，兩家需“保質保量”的根據合同約定完成向國際空間站運送航天員的任務。從該項目運轉數年的經驗來看，相對于獵戶座飛船這種“無底洞”式的承包方式，商業航天的確為美國納稅人節省了大量經費。

▲ 獵鷹重型發射紅龍想像圖

自此，美國宇航局（以下簡稱NASA）便深度參與到了二代龍飛船的研發過程中，把控著各種關鍵技術方案和研發里程碑。其中最為嚴格和苛刻的一個參數之一就是“乘員損失率”（Loss of Crew，簡稱LOC），NASA對兩家公司新一代飛船在返回地球過程中的LOC率要求遠高于所有人類已有的載人航天器。當然這是有原因的，2003年2月1日，哥倫比亞號航天飛機在返回地球過程中發生事故解體，7名航天員不幸遇難。NASA背負了巨大的輿論和政治壓力，已經不能承受再一次失去航天員的傷痛和損失。同時也催生了NASA對載人航天器近乎“變態”的安全性要求。

▲ 紅龍飛船著陸火星想像圖

▲ 交叉燃料輸送簡圖

▲ 首飛的重型獵鷹火箭可以看到明顯的芯級節流現象

▲ 獵鷹5號火箭

SpaceX公司在2015年的二代龍飛船發布會上，曾高調宣布該飛船將一改美國以往載人飛船的傘降+落海的回收方式，而是采用飛船側壁的8臺“超級天龍座”（SuperDraco）小型液體發動機，來幫助飛船完成最后的減速和著陸過程，飛船將像獵鷹9號火箭一樣垂直著陸在平坦的陸地著陸場上。此外，由于陸地軟著陸避免了海水浸泡和落地的瞬時沖擊，對飛船的重復使用也大有助益。不僅如此，這種設計更巧妙的地方在于“超級天龍座”既是飛船的“著陸發動機”，也是“逃逸發動機”，避免了飛船入軌后逃逸發動機就成為“死重”的弊病，可以“一機兩用”。“超級天龍座”發動機采用接觸自燃的有毒燃料組合，點火迅速可靠，推力可調，甚至可節流至20%；體積小巧，但可以產生71000牛的推力；每兩臺發動機一組，互為冗余，且設置有圍殼保護，防止爆炸時危及航天員。這種科幻的著陸方式被當時的SpaceX公司稱之為“二十一世紀飛船的著陸方式”，但可惜的是NASA似乎從來都沒有這么認為過！鑒于航天飛機的慘痛教訓，NASA經過評估后認為反推著陸相對于降落傘著陸，可控性能更差，導致其帶來的快速著陸等優點難以彌補其帶來的巨大風險。因此，即使SpaceX公司設置了群傘系統作為備份，而且擬定采用漸進過渡的方式普及反推著陸，但NASA仍然不滿意，并在SpaceX公司決定取消這一功能的過程中投上了至關重要的一張反對票。

慘遭波及的紅龍

不過反推著陸的取消并不能完全歸咎于NASA的保守，SpaceX公司自己在技術路線上的抉擇也發揮了重要的導向作用。因為反推著陸并不僅僅是一項針對載人飛船返地著陸的技術方案，更是其通往火星的“宏圖大業”中的一項必要技術儲備，這個中間環節就是代號“紅龍”（RedDragon）的火星無人試驗飛船。對二代龍飛船而言，反推著陸的取消僅僅改變了著陸方式，但對于紅龍而言卻是毀滅性的打擊。很多人認為這是SpaceX公司火星之路的一次挫折，但事實或許正好相反，馬斯克已經等不及去火星了，所以他略去了“紅龍”這個并不必要的中間階段。

說起“紅龍”，源自于2016年4月SpaceX公司和NASA正式簽署的一份合同，合同計劃最早于2018年使用獵鷹重型火箭將代號“紅龍”的火星著陸測試飛船送往火星表面。雖然此次任務主要是SpaceX公司的內部任務，但也會為NASA和SpaceX公司的未來火星任務積累技術經驗。紅龍飛船可以根據著陸地點的不同，向火星表面投送2-4噸不等的有效載荷。“紅龍”實際上是正在研發的二代龍飛船的火星版本，由于師出同門，紅龍在火星表面的軟著陸同樣依靠飛船側壁的8臺“超級天龍座”發動機，它能在點火指令下達的100毫秒內達到全推力狀態，并實時調整推力和姿態。

▲ 懸停實驗（其實是Dragonfly試驗機）

但是這對慷慨注資的NASA來說有什么好處呢？答案是超音速反推（supersonic retropropulsion），這是一種對載人火星登陸極其關鍵的技術。NASA曾表示“超音速反推技術是任何載人火星任務所必須的”，因為之前的降落傘、安全氣囊甚至“好奇號”所使用的“天空升降機”系統，都只能把最多一噸的載荷投放至火星表面。而相比之下，一個載人火星登陸器很可能重達幾十噸。超音速反推技術提供了看似簡單的大質量登陸方案：當穿過火星稀薄大氣層時，飛船將在超音速狀態下迎風啟動反推發動機來減緩速度，直至最終軟著陸表面。但在這一階段，飛船的空氣動力學及其穩定性是計算機模擬和小規模風洞試驗很難掌握的，因此只能通過實際的火星飛船任務來進行驗證和實踐。而對于SpaceX公司來說，不僅是超音速反推，“紅龍”這種半彈道再入式飛船在火星稀薄大氣環境下的各種氣動、姿控和熱控數據更是一筆寶貴的經驗遺產。但是因為反推著陸的取消，紅龍項目也只能無奈中止，看似可惜的同時SpaceX公司其實有自己的考慮，因為公司最終的目的是研發一款可以大規模向火表投送人員和物資的升力體式再入飛船（類似航天飛機），也就是公司近兩年在國際宇航大會上不斷展示的“行星際運輸系統”（ITS，2017年又將名字改回BFR）。而紅龍飛船的再入方式與其迥然不同，即使任務成功，對“行星際運輸系統”的研發助力也不是很大，因此對火星已經急不可耐的馬斯克選擇了略去無用的紅龍，直奔主題！

不斷增推的犧牲品—交叉燃料輸送

SpaceX公司當前的研發項目眾多，因此有所取舍也是非常正常。據稱“紅龍”取消后，后續將集中精力研發“行星際運輸系統”（2016年國際宇航大會上叫這個名字，2017年其實就叫BFR+BFS了），其所使用的代號為“猛禽”的液氧甲烷發動機，“猛禽”將像“梅林”系列發動機一樣，既做為起飛發動機，也作為反推著陸發動機。而“行星際運輸系統”中的火星飛船部分，將像航天飛機一樣進入火星大氣，并在最后著陸階段掉頭啟動發動機，像獵鷹9號火箭一級一樣反推減速直至最終著陸。所以“紅龍”就成了SpaceX公司自家技術變革后相互競爭中落敗淘汰的犧牲品。然而在SpaceX公司研發史上，這樣大水沖了龍王廟的事情并不止一次發生過，曾作為紅龍飛船“御用座駕”的獵鷹重型火箭，也曾經面對過這種情況。

▲ 圖中黑色三個物體就是降落傘包，對稱布置，圖外上面還有三個

2011年，SpaceX公司在宣布獵鷹重型火箭時，馬斯克曾表示獵鷹重型火箭是史上首款使用推進劑交叉輸送技術的火箭。這種技術將會聯通獵鷹重型火箭兩枚助推器和芯一級的推進劑儲箱，火箭點火起飛后助推器儲箱不僅向其發動機提供推進劑，還將通過聯通機構向芯級輸送推進劑，以彌補芯級發動機工作中的消耗，這樣在助推器工作完成關機分離時，芯級儲箱的推進劑消耗很少甚至可能不消耗，從而使這款二級半火箭獲得了相當于三級火箭的性能。據SpaceX公司稱可將運載能力提高超過20%～30%，但目前來看該數據過于樂觀，因為近些年無論是“波音”構想的新一代可重復使用運載器RLV（Reusable launch vehicle），還是俄羅斯赫魯尼切夫航天中心的安加拉系列火箭，都曾構想過各種各樣的推進劑交叉輸送技術。雖然該技術會獲得一定的性能提升，但隨之也會帶來一些額外重量，并對火箭可靠性產生負面影響。

整整7年過去了，獵鷹重型火箭的首射時間一推再推，而隨著獵鷹9號火箭運力的不斷飆升，獵鷹重型火箭的運力也水漲船高，一次性近地軌道運力從早期的24.75噸，后升至53噸，直至2017年4月更新為備受爭議的63.8噸，并最終于2018年2月7日首射成功。因此SpaceX公司目前已不再提及交叉燃料輸送這項技術了。雖然未經證實，但業界分析SpaceX公司考慮到技術風險和復雜度，同時考慮到獵鷹重型火箭即使不采用交叉燃料輸送，運力仍然高度富裕，轉而采用類似重型德爾塔4火箭的芯級節流的保守方案。即使考慮不同回收模式會損失30%～50%的運力，其運力水平在2019年末“太空發射系統”首飛之前仍然穩坐現役運載火箭的頭把交椅，即使回收導致運力大減，依舊能夠滿足所有已有載荷的發射需求（不考慮整流罩限制）。這樣一來，費力不討好的交叉燃料輸送就更無必要了，當然交叉燃料輸送也并非后繼無人，SpaceX公司在“行星際運輸系統”上構想的大規模低溫推進劑在軌加注技術，建立在航天飛機時代外掛儲箱向SSME（Space Shuttle Main Engine）成功輸送推進劑的成功經驗之上，也將是這項技術的另一次復活。

▲ 紅龍飛船在火星大氣進行超音速反推想像圖

“獵鷹5”和傘降回收的傳說

其實類似的技術抉擇在SpaceX公司的歷史上還有很多。比如2012年，在面臨技術資金及公司長遠規劃的問題時，SpaceX公司果斷叫停了富有科幻氣息的獵鷹5號空射液體火箭項目。轉為集中精力研發現在的主力型號“獵鷹9”，可以說是一個教科書式的抉擇。說起“獵鷹5號”，這是一款只存在于設計圖上的獵鷹火箭，顧名思義，火箭一級布置了5臺梅林發動機。

最早“獵鷹5號”曾經被選做“同溫層發射系統”的“欽定”空射火箭，當然隨著“獵鷹5號”的取消，這段“姻緣”也隨之終止。在合作中止整整5年過后，該系統的專用雙體載機于2017年5月末才推出機庫，而此時的獵鷹9號火箭已經憑借成功的火箭回收和復用發射將世界商業發射市場攪得天翻地覆。如果當時SpaceX公司糾結于為研發空射專用的獵鷹5火箭，按專用載機現在的研發進度，或許SpaceX公司早就已經資金斷裂關門大吉了。

▲ 無論這家空射載機多么巨大美麗，都難掩其尷尬的定位和拖沓的進度

▲ 2017年國際宇航大會上公布的BFS火星EDL仿真截圖

▲ 二代龍飛船原設計中的著陸腿

不僅如此，SpaceX路線抉擇的果斷還體現在火箭回收的技術路線抉擇上。在考慮回收火箭時，有鑒于航天飛機固體助推器的珠玉在前，傘降是一個想當然地回收思路。因此SpaceX公司早期曾在箭體上設置了降落傘，進行過回收測試，但嘗試的結果顯然不盡人意，于是公司果斷改為垂直起飛垂直降落回收方案，終獲成功。已有成功傘降回收的運載火箭幾乎全都是基于固體運載火箭，這種火箭外殼采用高強度鋼材，內部結構簡單可靠，可以承受落海的沖擊和海水腐蝕。但獵鷹9號火箭是一款由2195鋁鋰合金制成的液體運載火箭，采用共底儲箱，采用了9臺結構復雜（相對于固體火箭）的梅林液氧煤油火箭發動機。一方面是儲箱難以承受落海時不可控的巨大沖擊，另一方面就是發動機難以承受海水的浸泡和侵蝕。與固體火箭不同，液體運載火箭最具回收價值的就是液體火箭發動機，這也是聯合發射聯盟在其下一代火神運載火箭上只回收發動機的原因所在。我們這里無意否定傘降回收的可行性，只是闡述SpaceX公司在試錯后及時做出了調轉船頭的抉擇。這也是馬斯克本人的魅力之一吧。