張雪松

航天器尤其是運載火箭的重復使用，一直是航天工業(yè)的熱門話題。因為無論是飛船還是火箭造價都相當昂貴，如果運載火箭可以重復使用，成本就大大降低了。但是這件事情知易行難，世界各國一直在火箭重復使用的道路上艱難探索。不過近來，美國的太空探索技術(shù)公司和藍色起源公司都取得了一定突破。2015年12月22日“獵鷹九號”在第20次發(fā)射中第一級首次成功飛回，并在卡納維拉爾角的LZ-1著陸場垂直著陸成功。2015年11月23日和2016年1月22日，藍色起源公司的“新謝潑德”兩次發(fā)射并垂直著陸成功。

美國早期火箭重復使用技術(shù)的發(fā)展

運載火箭從一開始就是一種垂直發(fā)射的運載工具，早期的運載火箭并沒有考慮重復使用的問題。而航天界在火箭發(fā)動機和火箭設(shè)計上的能力和經(jīng)驗不足，也很難設(shè)計出重復使用的運載火箭。但是人們一直沒有放棄嘗試，主要是因為火箭太貴了。即使在航天競賽的瘋狂年代里，美蘇兩個超級強國也對一次性運載火箭的代價覺得有些吃不消，一枚土星五號火箭和一艘大型航母一樣昂貴，因此運載火箭重復使用技術(shù)的研究，得到了各方的大力支持。

從直覺上說，最合理的航天運載器重復使用方案，當然是和飛機一樣水平起飛、水平降落，只不過它不僅能在大氣層內(nèi)飛行，還能飛向太空進入軌道。美國專家們在討論未來重復使用航天運載器概念時，曾經(jīng)提出分階段實現(xiàn)重復使用：首先做到載荷（如衛(wèi)星和飛船）的重復使用，用常規(guī)的一次性火箭發(fā)射；隨后研制一種二級火箭，垂直發(fā)射后，這兩級火箭都可以水平著陸并重復使用；最后研制出一種以吸氣式組合循環(huán)發(fā)動機為核心的單級入軌運載工具，它將類似普通飛機那樣水平起飛和著陸，同時具有類似普通民航飛機那樣的安全性、可靠性和維護性，也被人們稱為空天飛機。

就第二步來說，最著名的嘗試當屬美國航天飛機。1972年美國啟動航天飛機項目時，樂觀的鼓吹者們認為航天飛機將通過重復使用大幅度降低發(fā)射成本，徹底淘汰一次性運載火箭。但是經(jīng)過1981年到2011年的三十年使用，即使最樂觀的支持者也不得不承認，航天飛機身上沒能體現(xiàn)出重復使用降低成本的優(yōu)勢。

有人指出，航天飛機的一級半火箭設(shè)計為軌道器防熱帶來了巨大的麻煩，而三角翼加大貨艙的設(shè)計帶來了更多的死重、更低的安全性和不低的周轉(zhuǎn)成本。那么換個思路，研制一種和一次性火箭差別不大、在較少的發(fā)射次數(shù)下仍具有經(jīng)濟性的重復使用運載工具，是否可行呢？從這個思路出發(fā)，航天業(yè)界轉(zhuǎn)而考慮以一次性運載火箭為基礎(chǔ)，稍加改動部分復用的設(shè)計方案。當然，要在復用和經(jīng)濟性上取得一個平衡，航天飛機那樣的垂直發(fā)射、水平著陸方案就不太合適了。

蘇聯(lián)/俄羅斯人的嘗試

蘇聯(lián)的“能源”號重型運載火箭計劃進行助推器的回收，它使用降落傘加滑橇回收的設(shè)計，也有說法稱“能源”號的助推器將使用有翼返回的概念。

蘇聯(lián)解體后，俄羅斯在新一代的“安加拉”系列運載火箭中提出了“貝加爾”飛回式液體助推器的設(shè)想，屬于“能源”號火箭液體助推器飛回概念的進一步發(fā)展。“貝加爾”飛回式液體助推器計劃作為“安加拉”火箭的模塊使用，它的主發(fā)動機為一臺RD-191液氧煤油發(fā)動機，可以提供約2000千牛推力。與傳統(tǒng)的液體助推器不同，“貝加爾”安裝了折疊的完整翼面，甚至還有一臺RD-33吸氣式航空發(fā)動機?！柏惣訝枴惫ぷ鬟^程和傳統(tǒng)液體助推器一致，但在75000米高空以馬赫數(shù)5.6和火箭分離后，它將翻轉(zhuǎn)90度后再入。當減速到亞音速后RD-33啟動，推動“貝加爾”返回發(fā)射場?！柏惣訝枴边€設(shè)計了起落架系統(tǒng)，可以像普通飛機一樣在機場跑道上降落。美國也曾提出類似的設(shè)計方案，比如至今還掛在登月航天員巴茲·奧爾德林網(wǎng)站上的StarBooster方案，德國航天局（DLR）的LFBB方案總體設(shè)計也如出一轍。

然而此類設(shè)計十分復雜，在發(fā)射成本上比航天飛機并沒有多大優(yōu)勢?；蛟S正因為如此，這些方案都沒能飛上藍天。

VTVL方案的價值

就在美俄的國家航天機構(gòu)嘗試有翼方案的同時，一些私營企業(yè)也提出了不同的設(shè)計，比如Kistler公司的 K-1火箭就使用了兩級入軌完全復用的方案。K-1的第一級和第二級都將使用降落傘減速，其中第一級靠火箭動力推動返回發(fā)射場，使用氣囊水平著陸。K-1火箭曾贏得美國航天局的商業(yè)軌道運輸服務的研制合同，但由于研制進度和資金問題最終出局。X-38驗證機則采用了翼傘空降回收方式。不過從試驗看，使用降落傘控制著陸速度存在太多不確定因素，要保證一個“薄皮”的火箭箭體完好著陸，難度相當大。

無論“貝加爾”助推器、還是K-1火箭第一級，水平著陸方式都要面對箭體結(jié)構(gòu)的棘手問題——火箭多數(shù)是垂直飛行的，軸向強度很大，但徑向強度要差得多。那么為什么不考慮垂直著陸呢？其實早在20世紀90年代，美國就投資研制了DC-X垂直起降試驗器，驗證運載工具的垂直起降技術(shù)。DC-X是單級入軌的“三角快帆”的1/3縮比試驗器，“三角快帆”試圖一步實現(xiàn)完全重復使用和單級入軌的新概念，雖然這個嘗試失敗了，但DC-X卻成為火箭垂直著陸的先驅(qū)者。垂直發(fā)射、垂直降落（VTVL）方案由此進入人們的視野。

新興雙雄的嘗試

無論航天飛機、空天飛機還是“三角快帆”都已經(jīng)成為過去，今天熱議運載火箭的垂直起飛和降落技術(shù)，主要是因為航天領(lǐng)域兩家新公司的強勁表現(xiàn)，它們也是美國“新航天”的代表公司：藍色起源公司和太空探索技術(shù)公司。

以DC-X的經(jīng)驗和技術(shù)為基礎(chǔ)，藍色起源公司開始研制自己的商業(yè)垂直起降航天器。而太空探索技術(shù)公司為了突破運載火箭重復使用的障礙，也走上了火箭垂直發(fā)射和著陸的道路。

◎“獵鷹九號”的回收

太空探索技術(shù)公司雖然只有“獵鷹九號”一種運載火箭，但卻以廉價的特點搶占了國際商業(yè)發(fā)射市場，對傳統(tǒng)的阿里安宇航公司和國際發(fā)射服務公司構(gòu)成了巨大的壓力。如果“獵鷹九號”第一級能夠重復使用，將顯著降低火箭的發(fā)射成本，進一步增強該公司的商業(yè)競爭力。火箭的重復使用一向難度極大，太空探索技術(shù)公司的研制和試驗過程中也遭遇了大量的困難。不過該公司別出心裁地在商業(yè)發(fā)射的同時，利用分離后的火箭第一級試驗，大大降低了試驗開銷，加快了試驗的進度。最初，該公司選擇了降落傘海上回收的設(shè)計。但實踐證明，不對箭體進行速度、彈道和姿態(tài)控制，火箭無法完整再入大氣層。太空探索技術(shù)公司并不氣餒，又提出了發(fā)動機反推飛回發(fā)射場并垂直降落的設(shè)計方案。我們很難得知這個思路是借鑒了航天飛機的飛回發(fā)射場降落模式，還是更接近K-1火箭飛回發(fā)射場降落模式，抑或是俄羅斯ROSSIYANKA可重復使用火箭模式。但毫無疑問的是，太空探索技術(shù)公司的工程師們堅持不懈的研究和試驗，最終第一個實現(xiàn)了運載火箭第一級的飛回垂直降落。

實現(xiàn)第一級飛回式垂直降落是一個直覺上看起來就很“笨拙”的主意。這種設(shè)計的難點，首先就在于運力和復用的矛盾?；鸺痫w的時候，需要攜帶足夠數(shù)量的燃料用于返回，這等于減少了火箭的運載能力。前面提到的飛回式復用方案不厭其煩地采用機翼和航空噴氣發(fā)動機，就是為了降低對運力的影響。而“獵鷹九號”火箭之所以敢于采用飛回式設(shè)計，恰恰是因為它的其它結(jié)構(gòu)重量很小。早期就有說法稱“獵鷹九號”第一級質(zhì)量比（燃料和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比值）高達20。而后來公司總裁艾倫·馬斯克更是表示，去掉第二級和衛(wèi)星后第一級可以實現(xiàn)單級入軌，那么質(zhì)量比恐怕已經(jīng)達到了25甚至更高。這么高的質(zhì)量比，一方面要求從儲箱到儀器艙的全方位減重，另一方面要求發(fā)動機也具有高推重比?！矮C鷹九號”火箭現(xiàn)在使用的Merlin 1D液氧煤油發(fā)動機推重比超過150，是世界上同類產(chǎn)品中推重比最高的。正是因為這種獨特的設(shè)計，“獵鷹九號”火箭才能在不過分影響運力的情況下實現(xiàn)飛回發(fā)射場并垂直著陸。

馬斯克表示，如果一二級分離速度在5000千米/小時，可以飛回著陸；如果是8000千米/小時。就只能去海上移動回收平臺著陸了，否則會更嚴重地影響運力。那么現(xiàn)有情況下運力損失了多少呢？根據(jù)獨立第三方 SpaceWorks公司的模擬，如果“獵鷹九號”第一級質(zhì)量比為14的話，飛回發(fā)射場垂直降落將損失大約40%的入軌運力。而太空探索技術(shù)公司稱飛回著陸會損失30%的運力。顯然都在可以接受的范圍內(nèi)。

飛回式垂直著陸還要解決再入大氣層的問題。運載火箭都是“薄皮大餡”，由推進劑儲箱組成的殼體十分脆弱。“獵鷹九號”火箭的再入速度達到馬赫數(shù)6，防熱問題還不算大，氣動過載則是真正的攔路虎了。“獵鷹九號”最早的兩次再入試驗中，火箭第一級都空中解體。世界上其他液體運載火箭的再入速度更高，幾乎沒有出現(xiàn)過第一級完整落地的例子。太空探索技術(shù)公司為此提出了新的方案，通過發(fā)動機和姿態(tài)控制系統(tǒng)的噴射來主動控制：第一級分離后發(fā)動機首先進行助推返回點火工作，抵消火箭水平方向的速度并將火箭推向發(fā)射場方向；再入大氣層的過程中再點火減速，同時靠氮氣噴射裝置控制箭體姿態(tài)，以此解決再入大氣層的難關(guān)?；鸺l(fā)動機的高空再入點火是此前從未有人涉足的領(lǐng)域，人們并不清楚高空高超音速的迎面氣流下，火箭發(fā)動機點火工作到底會發(fā)生什么。而且部分噴流會被氣流反向推發(fā)動機，也帶來了包括防熱在內(nèi)的新挑戰(zhàn)。不過在實際操作中，太空探索技術(shù)公司通過一次試驗就成功突破了高空點火技術(shù)，姿控系統(tǒng)的表現(xiàn)也相當出色。

最麻煩的當然是最后垂直著陸階段。一個細長而龐大、基本耗光了推進劑的箭體，在有風條件下垂直、安穩(wěn)地降落，實在不太好控制?！矮C鷹九號”第一級有9臺發(fā)動機，各有一定的節(jié)流能力，可以啟動3臺或1臺發(fā)動機工作。最后著陸時只需要中央的1臺發(fā)動機點火反推，從而降低了對發(fā)動機節(jié)流的壓力，可以說先天適合反推著陸設(shè)計。該公司還先后研制了“蚱蜢”和F9R兩種試驗器，用來驗證火箭第一級的垂直降落技術(shù)。這兩種試驗器最高飛到1000米高空，并曾在有較強橫風的條件下控制姿態(tài)并成功著陸，為“獵鷹九號”第一級的實際著陸試驗做好了準備。在海上浮動平臺降落試驗以失敗告終后，太空探索技術(shù)公司根據(jù)暴露的問題反復修改設(shè)計，最終于2015年12月22日垂直著陸成功，創(chuàng)造了人類運載火箭飛回著陸回收的第一次。

◎“新謝潑德”飛行器

其實藍色起源公司才是第一個做到火箭垂直發(fā)射和著陸的公司，我們之所以把它放在后面討論，是因為這家公司的“新謝潑德”其實不是真正意義上的運載火箭，回收難度要比太空探索技術(shù)公司小得多。

“新謝潑德”主要用于亞軌道旅游，也就是說不會進行真正的軌道飛行。因此“新謝潑德”設(shè)計上和“獵鷹九號”截然不同?！靶轮x潑德”使用氫氧推進劑的BE-3發(fā)動機，地面推力約500千牛，可以節(jié)流到20%仍正常工作。“新謝潑德”的最大高度和速度都只有“獵鷹九號”第一級的約一半，加上它幾乎沒有水平飛行速度，也就無需考慮復雜的助推返回點火和再入點火，只需要在低空點火準備著陸?？偟恼f來，“新謝潑德”的技術(shù)水平和難度都比“獵鷹九號”第一級的返回低得多，卻先拔頭籌，第一個飛躍了卡門線（空氣空間與宇宙空間的分界線，距地面100千米）并返回地面，力壓“獵鷹九號”一頭。2015年11月23日的首次成功試驗中，“新謝潑德”飛到了100.5千米高空，最高速度馬赫數(shù)3.72。2016年1月22日這枚“新謝潑德”再次發(fā)射升空，飛到101.7千米高空并再次返回。即使飛行難度較低，這種突破仍然具有里程碑意義。

“新謝潑德”和“獵鷹九號”的著陸回收成功，為人類帶來了以較低成本進入太空的一線曙光，這是垂直發(fā)射和著陸技術(shù)最具價值的成果?！靶轮x潑德”將在多次試驗后投入商業(yè)運營，執(zhí)行常態(tài)化的亞軌道旅游飛行。如果順利的話，說不定每個星期甚至每天都能看到它發(fā)射的身影?！矮C鷹九號”火箭主要用于軌道發(fā)射，這是一個中短期內(nèi)不會有多大發(fā)展的市場。但如果可以通過這種復用方式有效降低成本，將對人類開發(fā)利用外太空有著不可估量的價值。