有翼式復用運載器：明日黃花 前景黯淡

文/松鼠

▲Skylon云霄塔

美國獵鷹9號火箭5月12日成功發射了Bangabandhu-1通信衛星，這次發射的亮點并非孟加拉國的第一顆通信衛星，而是獵鷹9號Block 5型火箭的首次發射。Block 5型火箭設計復用次數超過10次，計劃通過火箭多次復用降低發射成本。新的獵鷹火箭能否實現降價的目標還有待檢驗，但曾經如火如荼的有翼式復用運載器，早已是明日黃花。

有翼卻難以飛翔

一次性運載火箭太貴，運載器復用追求的就是降低發射成本，太空探索技術公司老板馬斯克剛剛表示，現在發射價值6200萬美元的獵鷹9號火箭，一次發射使用的液氧和煤油總成本不過是30到40萬美元。但相比鉛筆一樣呆板的運載火箭，靈活的飛機生來就是重復使用的，航空航天不分家，工程師們做熟不做生，復用運載器帶上翅膀不是天經地義的么？

大名鼎鼎的馮·布勞恩不僅研制了V-2火箭，參與了土星5號火箭的研制，還曾為《科利爾》雜志撰稿，描繪了載人火星藍圖。馮·布勞恩火星計劃使用“渡船火箭”（Ferry Rocket）將火星飛船部件送入太空，“渡船火箭”是一種三級全重復使用火箭，為了飛回來設計了三對機翼，它可以把25噸重的飛船部件送入1730千米高度的停泊軌道?！岸纱鸺笨傊馗哌_7500噸，它的第一級就重6400噸，是日后土星5號火箭全重的兩倍還多。為了在地球軌道上建成10艘大型飛船組成的火星艦隊，要制造46枚“渡船火箭”進行950次發射，平均每枚“渡船火箭”復用20次以上。當然，馮·布勞恩低估了大型火箭和復用運載器的難度，更不要說天地往返的難度了，“渡船火箭”由始至終只有想象圖和模型。

“渡船火箭”只是個美好的想象，但有翼式復用運載器可是風行一時。美國和蘇聯都競相研制帶“翅膀”的航天復用運載器，美國的航天飛機是其中最經典的代表。航天飛機擁有一對三角翼，可以進行遠距離滑翔返回機場著陸，它號稱要革命性地降低航天發射的成本，航天工程師更不要說科幻作家都期待航天飛機帶來太空大開發的時代。不過，航天飛機正式服役后卻讓人大失所望，它的單次發射成本甚至比一次性的大力神火箭還要貴，這就實在令人尷尬了。即使美國宇航局后來用建造空間站來給它強行續命20年，但2011年航天飛機還是黯然落幕了。

▲布勞恩和渡船火箭模型

▲渡船火箭

▲俄羅斯安加拉火箭將裝備可折疊翼板

有翼式的致命缺陷

美國航天飛機降低發射成本的努力失敗了，這可不是美國一家的問題，蘇聯的暴風雪號航天飛機同樣昂貴，而歐空局和日本的航天飛機只停留在紙面上。為什么有翼式復用運載器的研究在轟轟烈烈后逐漸沉寂？這是因為它有致命的短板！

就以航天飛機來說吧，1972年尼克松批準撥款26億美元研制航天飛機，而此前預研階段就花了4.9億美元，這可是20世紀70年代的30億美元。然而它能運多少物資上天呢？早期是29.5噸,后來出于安全考慮降低到25噸，而一次性的運載火箭，以1984年研制的大力神IV火箭為例，它的最大運力21.5噸，但研制費用只有4.27億美元。簡單地說，由于要考慮重復使用的因素，尤其是采用航天飛機這種有翼式軌道器設計，同等運力下有翼式復用運載器的研制成本要比一次性運載火箭高太多！

當然，即使研制和制造成本很高，但航天發射中推進劑成本只是九牛一毛，只要重復使用大獲成功，復用運載器降低發射成本仍然前途光明。再以大力神IV火箭為例，它的發射價格就有2.2億美元，航天飛機研制費用就算高了30億美元，20次發射下來不就攤平了么？然而事情沒那么簡單。航天飛機軌道器可以入軌并返回，但一級半方式入軌需要高比沖的發動機系統，軌道速度再入大氣層返回需要復雜的熱防護系統，結果航天飛機發射成本高，同時需要復雜的地面維護。航天飛機原計劃一個月甚至一周發射一次，每架航天飛機重復使用100次，服役后發現目標實在鞭長莫及。同一架航天飛機的周轉周期從沒有縮短到一個月內，至于復用次數，美國5架航天飛機在30年里總共飛行了135次，單架100次復用的目標就實在是水中月鏡中花了。

航天飛機的研制成本高，但重復使用次數太少，沒能有效攤薄研發成本；航天飛機這么復雜嬌貴的系統，維護保障團隊需要花巨資維持，但它地面維護檢修復雜繁瑣，花費時間還長，維護成本也水漲船高。美國原計劃投資160億美元，制造2架試驗機和3架服役的航天飛機，整個服役期間進行439次發射，這樣每次發射只有3600萬美元，但最終航天飛機發射價格高達4億美元，這不僅讓通過復用降低發射成本成為黃粱一夢，發射成本甚至比一次性火箭還要貴。說到這里，大家也應該明白有翼式的根本問題了：它研制成本太高，維護成本也不低，這就需要高復用次數和高發射頻率來平攤成本。如果無法重復使用那么多次，或是發射頻率沒那么高，那發射成本必然暴漲，價格對比一次性火箭全無優勢。

航天飛機研制使用成本高，它需要入軌和返回是重要原因，如果把傳統火箭第一級做成有翼式重復使用運載器，是不是就能降低成本呢？這個思路降低了復用難度和研發成本，然而理論探討也不容樂觀。俄國人曾提出“貝加爾”飛回式有翼助推器的概念，時隔20年后又拖出來亮相，美國當年也提出過LFBB和StarBooster等飛回式有翼助推器概念，但即使是為航天飛機論證的LFBB都沒能脫離紙面。飛回式有翼助推器同樣面臨和航天飛機一樣的困難，它們研制和維護成本高，但哪里有那么多發射需求攤薄成本呢？美國空軍研究發現，一個飛回式有翼液體助推器，如果一切順利也就能降低40%的發射成本，但沒有每年十幾次甚至更多發射，它的發射成本甚至比一次性火箭還高。美國空軍曾啟動過復用助推器系統研究，最終還是只聽樓梯響不見人下來；美國先進研究項目局（DARPA）倒是有一個XS-1項目，XS-1具備將最重3000磅/1360千克的載荷發射入軌的能力，它的目標是每年至少10次的發射頻率下，發射費用降低到500萬美元。DARPA在公私合營模式下只提供了1.4億美元，剩下的研制資金需要波音公司自帶干糧。波音只好搜羅舊貨，用翻新的SSME發動機和現成的飛控軟件，其前景實在不容樂觀。

▲航天飛機

▲XS-1飛行器

復用火箭的擠壓

有翼式復用運載器的發展步履維艱，目前無論是英國大型新概念的云霄塔（Skylon）還是使用美國小型火箭發動機的XS-1，未來仍然前途未卜。與此同時，運載火箭的重復使用卻獲得突破，進一步擠壓了有翼式運載器的生存空間。

2013年9月美國DARPA提出XS-1方案時，獵鷹9號火箭重復使用還是天方夜譚。同年9月29日“獵鷹9號”發射成功，但一級火箭再入后砸到海面上。2014年兩次試驗中獵鷹火箭在海面軟著陸成功，但2014年9月又砸到海面上。2015年1月和4月的發射中，海上回收平臺的兩次著陸都以失敗告終。2015年12月22日獵鷹火箭第一級在陸上成功垂直著陸，但還有無數人言之鑿鑿的說，海上環境復雜小平臺無法成功降落，接下來2016年4月8日獵鷹火箭就在海上平臺降落成功了。2017年3月30日，獵鷹9號回收第一級再次投入發射，到現在復用發射成功已經司空見慣。

▲美國空軍曾經預研的復用運載器

▲發現號航天飛機

然而XS-1在干什么呢？2014年DARPA正式發布合同，第一階段合同完成后，2016年4月7日又發布第二階段合同，次日獵鷹9號就在海上成功降落回收。2017年5月DARPA選定了波音公司研制XS-1，這時“獵鷹9號”都已經完成首次復用發射了。XS-1計劃2020年實現首次軌道發射，現在獵鷹9號Block5型火箭也發射回收了，它不需專門維護就能重復使用10次以上。馬斯克表示今年就有望看到同一枚Block5型火箭進行第3次甚至第4次發射，明年看到第10次發射，而它的終極目標是挑戰連續100次重復使用！

對比復用的獵鷹火箭，XS-1復用方案除了帶有機翼，進度上實在差得太遠了。不過話說回來，有翼式復用運載器起了個大早，趕了個晚集，關鍵是成本降不下來，那么它們的成本又如何呢？XS-1的目標是3670美元/千克，而現在一次性的獵鷹9號火箭就做到了2720美元/千克，進一步復用后成本還能降低。XS-1復用運載器既不能發射大型衛星，單位發射成本還更高，受到復用火箭的擠壓后，有翼式的復用運載器前途就更黯淡了。