SpaceX公司重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展分析

楊開 米鑫

（1 北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所 2 北京航天控制儀器研究所）

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）成立之初就瞄準(zhǔn)了火星殖民，而火星殖民最基本的前提就是大規(guī)模的航天發(fā)射。早在20世紀(jì)初，全球平均每千克的發(fā)射價(jià)格超2萬美元，這讓大多數(shù)人質(zhì)疑SpaceX公司只是妄想，但是SpaceX公司并沒有動(dòng)搖和改變這一雄心勃勃的目標(biāo)，而是不斷調(diào)整和優(yōu)化，推動(dòng)自身技術(shù)和能力的進(jìn)步。為了降低發(fā)射價(jià)格，SpaceX公司堅(jiān)持采用“重復(fù)使用運(yùn)載火箭”這條技術(shù)路徑，雖然一子級(jí)傘降回收失敗，但是攻克和應(yīng)用了垂直起降技術(shù)，多次實(shí)現(xiàn)突破。作為SpaceX公司的主力火箭，獵鷹－9（Falcon－9）憑借其重復(fù)使用能力帶來的超低發(fā)射價(jià)格，無論是在商業(yè)發(fā)射領(lǐng)域，還是在軍用和民用發(fā)射領(lǐng)域，都建立起了極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1 發(fā)展路徑

自2003年成立之后，SpaceX公司共成功研制出3型運(yùn)載火箭，包括獵鷹－1、獵鷹－9和“獵鷹重型”（Falcon Heavy），獵鷹－9和“獵鷹重型”都已經(jīng)成功利用垂直起降技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重復(fù)使用，獵鷹－1作為其首個(gè)成功研制的火箭型號(hào)，原計(jì)劃也是采用傘降回收實(shí)現(xiàn)一子級(jí)復(fù)用。可以看到，SpaceX公司為了降低發(fā)射價(jià)格，非常明確地選擇了重復(fù)使用運(yùn)載火箭作為最基本的發(fā)展路徑。

從技術(shù)方案而言，SpaceX公司經(jīng)歷了傘降回收和垂直起降兩個(gè)大的階段。前者在獵鷹－1發(fā)射任務(wù)和獵鷹－9前兩次發(fā)射任務(wù)中進(jìn)行了試驗(yàn)，但是并沒有走通。到2010年底獵鷹－9第二次發(fā)射任務(wù)，一子級(jí)在返回過程中再次因承受不住力/熱載荷而損毀。傘降回收技術(shù)經(jīng)歷7年發(fā)展未果之后，SpaceX公司便將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到垂直起降技術(shù)。不過，傘降回收技術(shù)并沒有被該公司放棄，2019年被成功應(yīng)用于整流罩的回收復(fù)用計(jì)劃中。而在垂直起降技術(shù)方面，SpaceX公司創(chuàng)始人馬斯克在2011年9月正式披露獵鷹－9火箭垂直起降返回著陸方案，開啟了火箭回收和復(fù)用的歷程。

SpaceX公司重復(fù)使用運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程主要以獵鷹－9火箭的垂直起降重復(fù)使用技術(shù)為核心逐步改進(jìn)和演變，大致可以分為三大階段：技術(shù)驗(yàn)證階段、型號(hào)迭代升級(jí)階段和穩(wěn)定應(yīng)用階段。

2 技術(shù)驗(yàn)證階段

SpaceX公司在攻克垂直起降技術(shù)的過程中，采用了驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)+發(fā)射任務(wù)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，以最接近飛行狀態(tài)的硬件系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)，更注重應(yīng)用。從2010年啟動(dòng)研制到2015年首次成功回收一子級(jí)，大約用了5年時(shí)間完成了研制和轉(zhuǎn)化應(yīng)用。這種方式與傳統(tǒng)的技術(shù)預(yù)研和轉(zhuǎn)化方式形成了鮮明對(duì)比。

驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)

SpaceX公司的“蚱蜢”（Grasshopper）和獵鷹－9R-Dev兩型驗(yàn)證機(jī)的研制和飛行試驗(yàn)耗時(shí)僅4年左右。這兩型驗(yàn)證機(jī)直接取用獵鷹－9火箭的一子級(jí)，安裝著陸支架、柵格舵及其他配套的軟硬件，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，以最接近發(fā)射任務(wù)的狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。

“蚱蜢”驗(yàn)證機(jī)以獵鷹－9 v1.0火箭一子級(jí)為基礎(chǔ)改造，高約32m，僅裝有1臺(tái)隼-1D發(fā)動(dòng)機(jī)，配有4個(gè)金屬著陸支架。“蚱蜢”在飛行試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)全程保持工作，通過發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)和推力矢量控制，實(shí)現(xiàn)上升、懸停、減速和著陸。“蚱蜢”共進(jìn)行8次飛行試驗(yàn)，最大飛行高度為744m。SpaceX公司借此實(shí)現(xiàn)垂直起降技術(shù)的突破，初步掌握了發(fā)動(dòng)機(jī)推力大范圍調(diào)節(jié)、姿態(tài)調(diào)整和主動(dòng)轉(zhuǎn)向、穩(wěn)定著陸和支撐的能力。

“蚱蜢”驗(yàn)證機(jī)的著陸支架

不過，“蚱蜢”是基于獵鷹－9 v1.0一子級(jí)改進(jìn)的，與后續(xù)型號(hào)有比較大的差距，著陸支架也并非最終狀態(tài)。為此，SpaceX公司又基于獵鷹－9 v1.1開發(fā)了獵鷹－9R-Dev驗(yàn)證機(jī)，高約42m，裝有3臺(tái)隼-1D發(fā)動(dòng)機(jī)，利用4個(gè)柵格舵和冷氣反作用控制系統(tǒng)輔助姿態(tài)控制，配有4個(gè)復(fù)合材料-鋁合金著陸支架，基本接近于后續(xù)型號(hào)的飛行狀態(tài)。獵鷹－9R-Dev共進(jìn)行5次飛行試驗(yàn)，最大飛行高度達(dá)到1000m，對(duì)控制算法、柵格舵、著陸支架、新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、著陸懸停時(shí)間調(diào)整等進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。雖然獵鷹－9R-Dev在最后一次試驗(yàn)中因傳感器故障觸發(fā)自毀系統(tǒng)而損毀，但是SpaceX公司已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合同期進(jìn)行的實(shí)際發(fā)射任務(wù)中的驗(yàn)證活動(dòng)，逐步掌握了垂直起降技術(shù)，所以后續(xù)未再進(jìn)行更多的驗(yàn)證項(xiàng)目。

獵鷹－9R-Dev準(zhǔn)備著陸，著陸支架和柵格舵都處于展開狀態(tài)

發(fā)射任務(wù)中的技術(shù)驗(yàn)證

在開展驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)的同時(shí)，SpaceX公司選擇在實(shí)際發(fā)射任務(wù)中對(duì)垂直起降技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，使技術(shù)驗(yàn)證和技術(shù)應(yīng)用同步化，而不是將兩者作為相互獨(dú)立的過程。

發(fā)射任務(wù)中的技術(shù)驗(yàn)證伴隨獵鷹－9 v1.1投入使用就立即開始，由于獵鷹－9 v1.1為垂直起降回收而進(jìn)行了改進(jìn)，改變了此前獵鷹－9 v1.0傘降回收的技術(shù)路線。在正式開展火箭回收之前，獵鷹－9 v1.1共執(zhí)行了8次發(fā)射任務(wù)。在其中的4次低軌任務(wù)中，獵鷹－9 v1.1完成載荷部署后，一子級(jí)都進(jìn)行了受控返回試驗(yàn)（當(dāng)時(shí)火箭運(yùn)載能力還有欠缺，未在另外4次高軌任務(wù)中進(jìn)行驗(yàn)證）。

在4次技術(shù)驗(yàn)證中，SpaceX公司通過漸進(jìn)方式一步步地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)重啟、返回彈道、姿態(tài)控制、推力調(diào)節(jié)、著陸支撐等技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，而非一蹴而就。2013年9月，獵鷹－9 v1.1首飛，其一子級(jí)在返回過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)第一次重啟成功，將一子級(jí)送入再入軌道，但是發(fā)動(dòng)機(jī)第二次重啟后因箭體滾轉(zhuǎn)失控而提前關(guān)機(jī)；2014年4月，獵鷹－9 v1.1首次安裝著陸支架，返回過程中不僅發(fā)動(dòng)機(jī)重啟成功，火箭姿態(tài)得到控制，著陸支架也成功展開；2014年7月，返回過程非常順利，而且降落到預(yù)定位置，回收精度得到驗(yàn)證；2014年9月，SpaceX公司不僅對(duì)回收過程進(jìn)行了驗(yàn)證，而且還和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）合作利用飛機(jī)搭載的觀測(cè)平臺(tái)獲取一子級(jí)返回過程的紅外數(shù)據(jù)，為熱防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)提供幫助。

3 型號(hào)迭代升級(jí)階段

經(jīng)過大約4年的技術(shù)研發(fā)和驗(yàn)證活動(dòng)之后，SpaceX公司很快開始了垂直起降技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐：①2015年1月，首次利用海上平臺(tái)回收一子級(jí)，但以失敗告終；②2015年12月，首次在陸地上成功回收火箭一子級(jí)（2次失敗后）；③2016年4月，首次成功利用海上平臺(tái)回收一子級(jí)，基本掌握了垂直起降技術(shù)（4次失敗后）；④2017年3月，首次成功利用回收的一子級(jí)再次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用。

同時(shí)，圍繞垂直起降重復(fù)使用方案的技術(shù)需求，對(duì)獵鷹－9進(jìn)行迭代升級(jí)，不斷將技術(shù)改進(jìn)融入到型號(hào)產(chǎn)品，經(jīng)過5年時(shí)間、4個(gè)型號(hào)的迭代，形成了獵鷹－9-B5最終構(gòu)型。

獵鷹－9火箭為重復(fù)使用而進(jìn)行的改進(jìn)

4 穩(wěn)定應(yīng)用階段

完成獵鷹－9-B5最終構(gòu)型之后，SpaceX公司的垂直起降重復(fù)使用技術(shù)進(jìn)入了穩(wěn)定應(yīng)用階段。根據(jù)馬斯克對(duì)獵鷹－9-B5構(gòu)型的介紹，在很少維護(hù)的情況下就可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用10次，在充分維護(hù)的情況下最多可以復(fù)用100次。隨著火箭復(fù)用能力的提升，回收和復(fù)用的成功率也在不斷提高，相關(guān)紀(jì)錄也不斷被刷新。截至2020年8月23日，獵鷹－9共執(zhí)行了90次發(fā)射任務(wù)，其中：

1）進(jìn)行回收的發(fā)射任務(wù)共60次（海上48次，陸地12次），成功52次（海上41次，陸地11次），失敗8次（海上7次，陸地1次），成功率87%；

2）全部發(fā)射任務(wù)共使用55枚火箭一子級(jí)，即有35次發(fā)射任務(wù)均由回收復(fù)用的一子級(jí)執(zhí)行，占比39%；

3）同一枚火箭一子級(jí)最多執(zhí)行過6次發(fā)射任務(wù)，共有1枚，且已經(jīng)成功回收，還有進(jìn)一步提高復(fù)用次數(shù)的可能性；另有2枚火箭一子級(jí)執(zhí)行過5次發(fā)射任務(wù)，其中有1枚已經(jīng)損毀，未能回收。

在獵鷹－9取得成功的基礎(chǔ)上，“獵鷹重型”天生就具備重復(fù)使用的能力，截至2020年8月23日?qǐng)?zhí)行的3次發(fā)射任務(wù)中，不僅成功利用回收復(fù)用的獵鷹－9一子級(jí)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，而且6枚捆綁助推器全部回收成功。不過，由于芯級(jí)的工作時(shí)間長(zhǎng)、返回速度高、推進(jìn)劑余量少，回收難度還比較大，尚未完全回收成功。

SpaceX公司在重復(fù)使用技術(shù)上的突破和穩(wěn)定應(yīng)用，給發(fā)射價(jià)格和發(fā)射周期帶來了顯著影響：

1）雖然SpaceX公司官方網(wǎng)站上獵鷹－9的價(jià)格一直保持在6250萬美元，但該公司表示采用復(fù)用一子級(jí)的獵鷹－9的發(fā)射成本低至3000萬美元。另外，獵鷹－9在2019年和“飛馬座”（Pegasus）小型火箭競(jìng)爭(zhēng)，以5030萬美元的價(jià)格競(jìng)標(biāo)獲勝，得到NASA一個(gè)小型載荷的發(fā)射訂單，也從側(cè)面說明其發(fā)射價(jià)格已經(jīng)顯著降低。

2）除價(jià)格以外，重復(fù)使用能夠在一定程度上縮短發(fā)射周期，提高發(fā)射服務(wù)的周轉(zhuǎn)能力，滿足更頻繁進(jìn)入空間的需求。采用回收復(fù)用一子級(jí)的獵鷹－9發(fā)射任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間（即距離該一子級(jí)執(zhí)行上次發(fā)射任務(wù)的時(shí)間）為155天，最短的周轉(zhuǎn)時(shí)間僅為51天。相比于制造一枚全新的火箭，采用重復(fù)使用運(yùn)載火箭能夠顯著提高快速履約能力。

5 未來發(fā)展

SpaceX公司在獵鷹－9成功實(shí)踐垂直起降復(fù)用技術(shù)，形成獵鷹－9-B5穩(wěn)定構(gòu)型之后，開始將重心轉(zhuǎn)移到“星艦”（Starship）的研制上，瞄準(zhǔn)火星殖民的終極目標(biāo)。目前，SpaceX公司已經(jīng)利用“星蟲”（Starhopper）、MK1、SN2、SN3、SN4、SN5 等6型驗(yàn)證機(jī)開展了大量地面試驗(yàn)。地面試驗(yàn)也遭遇多次挫折，出現(xiàn)過靜壓試驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)損毀、試車過程爆炸等意外情況。但驗(yàn)證機(jī)數(shù)量仍在快速增加，技術(shù)迭代的速度非常快，保持著SpaceX公司在新技術(shù)研發(fā)上的一貫風(fēng)格。

6 小結(jié)

SpaceX公司能夠在垂直起降重復(fù)使用運(yùn)載火箭上取得成功，離不開美國(guó)整個(gè)航天工業(yè)基礎(chǔ)的支撐，同時(shí)公司自身在管理和工程上也有很多先進(jìn)之處。首先，明確的技術(shù)路線和目標(biāo)是SpaceX公司成功的重要前提。SpaceX公司在火箭研制過程中非常堅(jiān)定地選擇重復(fù)使用這條路線，在傘降回收不可行之后，迅速做出改變，采用垂直起降，圍繞這一目標(biāo)，不斷對(duì)火箭進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)。其次，技術(shù)驗(yàn)證和飛行任務(wù)相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)垂直起降技術(shù)快速應(yīng)用的重要途徑。SpaceX公司沒有將技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃孤立起來，而是利用最接近于飛行狀態(tài)的硬件進(jìn)行試驗(yàn)，或者直接在發(fā)射任務(wù)中進(jìn)行驗(yàn)證。最后，型號(hào)技術(shù)狀態(tài)的快速迭代是SpaceX公司能夠領(lǐng)先于眾多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的重要原因。在垂直起降技術(shù)快速推進(jìn)的同時(shí)，獵鷹－9的構(gòu)型狀態(tài)也隨之進(jìn)行調(diào)整，將技術(shù)的進(jìn)步體現(xiàn)和固化到產(chǎn)品上，取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。