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美國太空探索技術(shù)公司（以下簡稱SpaceX）已近乎發(fā)展成為了一種流行文化。有狂熱的粉絲、也有相關(guān)的文化圖騰、更有無數(shù)力挺的跨界著名關(guān)注者。至于在航天業(yè)界的同行們，無論是否對其認可，都已無法忽略這家企業(yè)。其名之盛，以至于目前相關(guān)新聞已被國內(nèi)許多營銷團體或者個人包裝用于各類營銷目的。截至2015年末，“獵鷹”9號運載火箭完成了至少6次發(fā)射，把多顆航天器送入軌道。作為一種宣稱近地軌道有效載荷13噸、典型發(fā)射任務(wù)報價只有5400萬美元的“經(jīng)濟適用型”中型運載火箭，“獵鷹”9號的實用、可靠已經(jīng)得到證明。時至今日，其發(fā)射過的最昂貴的載荷，乃是歐洲衛(wèi)星公司的SES-9同步軌道通信衛(wèi)星，重約5.3噸。然而，上述這些并非令SpaceX揚名之處。

最吸引眼球的是——迄今為止“獵鷹”9號回收型，共進行了6次第一級垂直回收試驗，有兩次獲得圓滿成功（載荷入軌+回收成功），剩下的幾次也部分成功（載荷入軌+回收失?。?。

通過研究SpaceX公司“獵鷹”系列火箭從摸索到成熟的歷程，我們能夠了解美國航天系統(tǒng)在快速布星和商用發(fā)射方面的進展。同時通過分析SpaceX的得失，也能對國內(nèi)準備乘“軍民融合”東風進入運載火箭研發(fā)領(lǐng)域的民企，產(chǎn)生一些指導(dǎo)作用。

從梅林引擎開始

眾所周知，發(fā)動機是決定運載火箭性能的最關(guān)鍵因素，也是決定一枚火箭成敗的基礎(chǔ)，運載火箭幾乎就是圍繞著發(fā)動機來進行設(shè)計的。目前，除去尚在試制階段的，采用液氧甲烷燃料的猛禽上面級引擎，以及隨著“獵鷹”9火箭投入使用而靠邊站的紅隼上面級引擎，采用液氧煤油燃料的梅林發(fā)動機是SpaceX目前唯一的臺柱。

梅林發(fā)動機的設(shè)計源頭頗為復(fù)雜，技術(shù)來源眾說紛紜。不過，美國的火箭發(fā)動機型號雖然繁復(fù)浩瀚，但萬變不離其宗，其技術(shù)傳承和演進是有一個較為明確的路線與參考的。

大致上，我們由于梅林引擎的針栓式噴嘴構(gòu)造，將其視為阿波羅下降段引擎演進線上的產(chǎn)物。而且在其具體的設(shè)計思想上，明顯是參考了馬歇爾航天中心的Fastrac廉價發(fā)動機。不過，該觀點許多人并不贊同。

反對的理由之一，便是梅林引擎和登月艙下降級發(fā)動機連燃料都不一樣，只不過都采用了針栓式噴嘴而已。至于Fastrac廉價發(fā)動機……“如此推力有何資格和‘獵鷹相比”。所以按照其邏輯，梅林引擎應(yīng)該和圣杯一樣，乃是神對馬斯克的恩賜，只恨不能把火箭都吹成是他的創(chuàng)造。

不過，無論支持還是反對，出身湯譜森-拉莫-伍爾德里奇公司的SpaceX的總工程師Tom Mueller，畢竟是在TR-106引擎（使用針栓式噴嘴，氫氧燃料）的開發(fā)過程中積累了豐富的經(jīng)驗。在其投奔新東家后，適當借鑒參與過的項目，取其精華加以利用，實在也屬于情理之中的事情。而針栓式噴嘴的優(yōu)點也非常的多。包括穩(wěn)定性好、加工維護便宜、節(jié)流調(diào)速容易等。那么，在相關(guān)專利已經(jīng)失效的前提下借鑒過來，也是合情合理的。

盡管優(yōu)點多多，針栓式噴嘴的固有缺點，卻也在梅林發(fā)動機的設(shè)計和制造過程中把整個團隊坑得不輕。

針栓式噴嘴構(gòu)造對冷卻的要求很高，所以最初的梅林1A與1B，均不可避免的遇到了過熱的問題。由于梅林系列發(fā)動機在其開發(fā)初期堅持采用了可靠性和效率都很糟糕的燒蝕冷卻方式，所以發(fā)動機過熱燒穿的問題，一直是團隊在早期面臨的最大挑戰(zhàn)。最早的“獵鷹”1型火箭，就屢屢在發(fā)動機的問題上吃癟。直到被搞煩了的SpaceX決定下大力氣部分推倒重來——從1C改進型開始，將發(fā)動機冷卻模式改為回熱冷卻式，徹底放棄燒灼冷卻模式，這才基本解決了過熱的問題。

所謂回熱冷卻，就是設(shè)計一組專門環(huán)繞燃燒室和噴嘴的管路，將燃料首先流經(jīng)燃燒室和噴口的外壁再注入燃燒室。既冷卻了發(fā)動機又可以預(yù)熱燃料。但其較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也增加了引擎開發(fā)的難度和風險。

然而，換用回熱冷模式卻和SpaceX的技術(shù)發(fā)展宗旨是背道而馳的。眾所周知，梅林引擎在立項伊始，就被定義為一種結(jié)構(gòu)盡可能簡單的高性價比引擎。也因為這個思路，沒有選用技術(shù)難度更大、但比沖更高的分級燃燒循環(huán)，而是結(jié)合美國的技術(shù)積累情況，走了較為簡單、低成本、低風險的燃氣發(fā)生器循環(huán)模式。因為阿波羅計劃的牽引，上世紀60年代，美國在液氧煤油燃料、燃氣發(fā)生器循環(huán)領(lǐng)域作了大量工作，技術(shù)積累非常豐厚。但是此后的研發(fā)重點就轉(zhuǎn)向了液氫液氧燃料、高壓補燃循環(huán)（分級燃燒循環(huán)的一種）發(fā)動機，對液氧煤油發(fā)動機研發(fā)投入不多。

那么，分級燃燒循環(huán)模式和燃氣發(fā)生器循環(huán)模式到底有何區(qū)別？前者在燃燒循環(huán)時，將推動渦輪泵做功的廢氣壓入燃燒室再次進行燃燒，最大限度利用燃氣的能量。而后者，為了最大限度簡化設(shè)計、采取直接將廢氣一排了事的“簡單粗暴”方式，以求最大限度減少發(fā)動機的干質(zhì)量。因為分級燃燒循環(huán)充分利用了渦輪泵廢氣的能量，可以大幅度提高渦輪功率、進而提高燃燒室壓力，顯著提高了發(fā)動機比沖。對于燃氣發(fā)生器循環(huán)，渦輪廢氣的能量被浪費了，渦輪泵的功率越高、這種浪費越嚴重，到了一定程度、浪費的廢氣能量高于燃燒室壓力提高帶來的好處，得不償失；所以燃氣發(fā)生器循環(huán)的燃燒室壓力較低，比沖明顯低于分級燃燒循環(huán)。

當然，在液氧煤油燃料組合上，燃氣發(fā)生器循環(huán)比高壓補燃循環(huán)還有一個優(yōu)勢：富燃燃燒。因為煤油的高溫結(jié)焦問題，高壓補燃循環(huán)只能采用調(diào)高氧化劑比例的富氧燃燒模式，高溫高壓燃氣堪比乙炔氣割，一旦發(fā)動機故障、燃氣泄漏，故障發(fā)展會很迅速、后果嚴重。相比之下、富燃燃燒的燃氣破壞力就弱得多，故障發(fā)展緩慢、溫和得多，這個特性曾經(jīng)挽救過“獵鷹”9號的發(fā)射任務(wù)，此乃后話。

顯然，由于豐滿的理想和骨感的現(xiàn)實，SpaceX被迫做出了無奈的妥協(xié)。使得梅林發(fā)動機在走燃氣發(fā)生器循環(huán)模式，以求最大程度簡化的同時，卻被迫在發(fā)動機冷卻模式上采用回熱冷卻。最終，造就了梅林1C這個有幾分怪異，但基本算是“好用”的引擎。

梅林1C基本固定了當前經(jīng)典版梅林引擎的所有特性。在其基礎(chǔ)上開發(fā)的1D，則是進一步減重與優(yōu)化的設(shè)計。最終，在設(shè)計團隊的竭盡所能之下，其燃燒室壓力較之1C提高了近五分之二，接近100個標準大氣壓力，使得性能有了大幅的提高。

總的來說，即便是以梅林1D而言，其海平面比沖也僅有275秒，海平面推力折合約66噸。雖然較為可靠，但各項指標均已落后，算不上什么強大的火箭發(fā)動機。最新型的梅林1D+發(fā)動機數(shù)據(jù)版本繁雜、自相矛盾，很難準確評價，但是它的技術(shù)基礎(chǔ)沒有變化，核心指標不會有革命性突破。

縱觀美國航天界琳瑯滿目的火箭發(fā)動機貨架，比之更優(yōu)秀的產(chǎn)品比比皆是。例如航天飛機的主發(fā)動機，大名鼎鼎的洛克達因產(chǎn)航天飛機主發(fā)動機（SSME）。其采用液氫液氧燃料、高壓補燃循環(huán)、可以重復(fù)使用，海平面比沖達366s、海平面推力約190噸。其性能不知甩開梅林1D幾條大街。尤其是其具備高達452s的真空比沖！相較而言，梅林1D僅有可憐的310s。那么，既然費盡周章完成的梅林1D實際上是個半吊子，市面上也有著遠比它強大的引擎，那么為何公司不老老實實掏錢去買現(xiàn)成的好發(fā)動機呢？

實際上，目前聲名大噪的“獵鷹”9號運載火箭的成功之處，就在于其采用了梅林這樣的“大路貨”。但是，SpaceX是一家典型的商業(yè)公司。它的宗旨是搶占市場，獲得業(yè)務(wù)，最終實現(xiàn)盈利。而不是設(shè)計和制造更棒更強的火箭，為航天事業(yè)做出貢獻。開發(fā)梅林系列發(fā)動機的基本要求就是廉價。即便是最新型的梅林1D，推算價格也僅百萬美元級別。與之相比，性能遠勝的SSME，其價格卻是以千萬計的。此外，不但是發(fā)動機本身的價格相差懸殊，采用煤油為燃料的梅林引擎與采用液氫為燃料的SSME，其使用成本也相差懸殊。

最后，必須要簡單談一下的是“獵鷹”9號火箭第二子級主發(fā)動機真空梅林。顧名思義，真空梅林的實質(zhì)還是梅林。它是在起飛級型號的基礎(chǔ)上，采用大面積比的高空噴管改進獲得。與梅林1版本基本是繼承性的關(guān)系，只是專門優(yōu)化了真空比沖性能。

于是，隨著紅隼上面級引擎靠邊站，SpaceX終于用一種發(fā)動機滿足了所有需要。而其技術(shù)始于各類明的暗的技術(shù)輸入渠道，基于各種低成本概念的堆砌。公司方面，要做的只是在享有技術(shù)的基礎(chǔ)上進行開發(fā)和改進。這種策略最終極大地攤薄了研發(fā)成本，更是有利于組織批量生產(chǎn)、控制成本、提升質(zhì)量，以最經(jīng)濟的價格生產(chǎn)出適用的引擎。

然而，正如前文所剖析的那樣，梅林1系列引擎，要推力沒推力要比沖沒比沖，優(yōu)點只是便宜簡單和可靠，終究是一種湊合用的產(chǎn)品。所有人都應(yīng)該明白，如果艾隆·馬斯克能夠以同樣的成本制造和使用SSME，他當然不會選擇梅林。正如他自己對媒體說得那樣：“火箭引擎是目前SpaceX所面臨的最大短板?！?/p>

這，也是SpaceX努力推進“猛禽”甲烷液氧發(fā)動機研制工作的根本原因。關(guān)于這種引擎，我們將會在下文說到。

從“獵鷹”1號到“獵鷹”9號

SpaceX在運營早期頗為不順?！矮C鷹”1號運載火箭從2005年下半年到2008年8月，曾經(jīng)有過連續(xù)3次失敗的記錄。尤其是在2008年8月2日進行的第三次發(fā)射，由于發(fā)射后異常振動導(dǎo)致的分離故障，將分屬美國國防部和NASA的3枚立方星，以及208名在生前希望死后遺骸能進入太空的顧客的骨灰統(tǒng)統(tǒng)燒毀在了同溫層內(nèi)。其中包括曾經(jīng)出演著名科幻電視劇《星際迷航》的美國已故演員杜漢和阿波羅7號飛船的宇航員庫珀。

不過，隨著梅林1C發(fā)動機投入使用，原本折磨SpaceX的發(fā)動機燒穿問題得以解決。2008年9月28日，SpaceX使用一枚第一級改用“獵鷹”1C引擎的“獵鷹”1號運載火箭，在夸賈林環(huán)礁發(fā)射基地，將一塊165千克的配重成功送上進入近地軌道。

從2002年6月成立以來，盡管SpaceX的道路看似坎坷異常，但僅僅3個月后，“奇跡”就將發(fā)生。同年12月23日，NASA宣布將第一批總值36億美元的國際空間站貨運合同，分配給了SpaceX和軌道科學公司，當時距離SpaceX的首次開始火箭發(fā)射只有2年時間，距離第一次成功將載荷送入軌道還不到3個月。該合同立即倍增了SpaceX的發(fā)言權(quán)和市場地位，使這家本來在業(yè)界只見嘴炮和笑話的企業(yè)，搖身一變成了可能有機會挑戰(zhàn)波音和洛克希德馬丁合資成立的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟市場地位的潛在競爭對手。因為就在過去的10年里，后者一直主導(dǎo)著美國的軍、民航天用發(fā)射市場，獲取滾滾利潤。也使得總是被砍預(yù)算的NASA苦不堪言。而這，正是SpaceX的老大馬斯克所一直期望和努力所追求的目標。

SpaceX之所以能夠攬下NASA的太空物流合同（分到了大約16億美元的單子），只靠200千米近地軌道載荷670千克的“獵鷹”1號火箭，那純屬癡人說夢。事實上，SpaceX計劃用于投送貨運飛船的載具，是當時尚在紙面上的中型運載火箭“獵鷹”9號。此外，包括用來運送貨物的龍式飛船，當時也同樣只有模型和設(shè)計圖。只靠圖紙和方案就能攬到十幾億的合同，這黑箱操作的能耐作者也是醉了。近地軌道運載能力至少10000千克，并能將超過4000千克的載荷送入同步轉(zhuǎn)移軌道——這就是SpaceX為NASA畫的餅，而NASA居然認了……

基本任務(wù)載荷，決定了“獵鷹”9號必須是一種中型運載火箭。而從梅林1A到梅林1C，盡管SpaceX在火箭發(fā)動機領(lǐng)域取得了可喜的進步，但以梅林1C那海平面550千牛的推力，根本是沒能力獨立撐起這個運力要求的。怎么辦？多堆幾個引擎嘛。那么堆幾個呢？9個！

根據(jù)設(shè)計，“獵鷹”9號是一種兩級運載火箭。其1.0版本有157英尺高（47.8米），芯級直徑12英尺（3.65米），通常搭載狀態(tài)起飛質(zhì)量為333.4噸。它的第一級將要并聯(lián)9臺梅林引擎，起飛推力則是4940千牛（1.0版本）。而上面級發(fā)動機也不再是小巧的紅隼，將換用專門優(yōu)化了真空性能的梅林引擎?？雌饋砗懿诲e，實際上，想要制造一枚運載火箭，有了可靠的火箭發(fā)動機意味著成功的一半，但也只是一半。因為，梅林1引擎的單臺推力太弱了。而若想并聯(lián)9臺引擎同時工作，那么勢必要面對可靠性的問題。此外，如何在箭體強度與重量上取得平衡點也是個巨大的問題。

此外，對于SpaceX來說，成本是這家企業(yè)的生命。既然引擎已經(jīng)基本實現(xiàn)了低成本化，除了盡可能挖掘性能外，控制成本是另一個核心問題。

馬斯克控制成本的主要手段無非有二。首先，大量采用常規(guī)商用、工業(yè)類電子元器件。相比較價格昂貴換代慢的宇航級器件，這樣不僅有效降低了成本，而且器件采用的技術(shù)也更先進、性能指標更好。以CPU為例，宇航級產(chǎn)品雖然壽命高，并且能在極端環(huán)境下長期工作，但在工作頻率等指標上通常會比商業(yè)、工業(yè)級產(chǎn)品至少落后兩代。而火箭畢竟不是衛(wèi)星、不是深空探測器，它的工作壽命以分鐘計，而非以月、以年計。商業(yè)、工業(yè)級元器件只要經(jīng)過嚴格測試，輔以有針對性的輻射防護，完全可以在火箭上使用。

其次，在研發(fā)/生產(chǎn)管理上，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)投資人出身的馬斯克把該行業(yè)的管理體制和組織架構(gòu)引入SpaceX，采用無邊界管理模式，打造外形扁平化的公司組織。公司內(nèi)部沒有通常意義上的部門劃分，甚至沒有組織機構(gòu)圖，各領(lǐng)域的員工平等地參與技術(shù)研討、設(shè)計和開發(fā)等工作，研發(fā)與生產(chǎn)的聯(lián)系更為緊密，拋棄了不必要的繁文縟節(jié)和復(fù)雜低效的冗長管理流程。以下是一個關(guān)于SpaceX“扁平化管理”的段子，盡管真實性很低，但也在一定程度上說明了其所遵循的管理思想：“獵鷹”9研發(fā)工作的早期，某次發(fā)射前，經(jīng)過計算和分析、上面級發(fā)動機的噴管需要調(diào)整面積比。如果是傳統(tǒng)的航天系統(tǒng)作風，這個調(diào)整從請示報告再到層層批復(fù)、直到最終實施，最快也要一個星期。但SpaceX不走這個套路，現(xiàn)場的技術(shù)負責人當場拍板，工程師馬上拿著工具就去把噴管剪掉一截，前后統(tǒng)共幾個小時搞定。

扁平化管理，避免繁文縟節(jié)雖是優(yōu)點。但如同這個段子里描述的景象，已經(jīng)不是在制造火箭了。實際上，就算是一個生產(chǎn)二踢腳的車間，技術(shù)人員敢這么胡來，下場多半也是血的代價。所以段子也只是段子，可偏偏有許多人卻信，而且廣為傳播。

得益于扁平化管理、互聯(lián)網(wǎng)基因，加之NASA全力支持，提供了大量設(shè)備、設(shè)施和智力支援，SpaceX長期保持著研發(fā)、生產(chǎn)團隊的精干高效。公司曾經(jīng)多年維持在數(shù)百人規(guī)模，2012年才擴張到千人，在有效控制人力成本的同時、保證了研發(fā)工作的高效率，““獵鷹”9”火箭從方案論證到首飛，僅用了四年半時間。

根據(jù)推算火箭入軌速度的齊奧爾科夫斯基公式：火箭最終速度 = 發(fā)動機噴出推進工質(zhì)（比沖）×ln（火箭總質(zhì)量/火箭末質(zhì)量）。決定火箭的最終速度的參數(shù)中，比沖數(shù)值的好壞由發(fā)動機的性質(zhì)所決定。根據(jù)物理常識，一種燃料燃燒后產(chǎn)生的熱量越高，則其比沖就越大。也因為這個原因，煤油發(fā)動機雖然擁有使用成本低、安全性好、無毒無害等優(yōu)點，但是其能量密度遠不及液氫，故煤油發(fā)動機比沖性能遠無法與氫氧發(fā)動機相比擬。煤油引擎的真空理論極限值比不會超過390秒，實際可實現(xiàn)的應(yīng)當不超過350秒。

既然梅林1即便發(fā)展到D型也只是個半吊子貨，再加上煤油發(fā)動機的先天不足問題，那么想要提高火箭的性能，剩下的唯一選擇就唯有提高箭體的干質(zhì)比。換而言之，就是在保證必要的強度前提下，盡可能多地減輕箭體自重。

最終，我們看到的“獵鷹”9就成了這樣一支在減重上達到了全世界第一的“怪物”——全箭貯箱廣泛使用加拿大鋁業(yè)公司【注釋：該公司于2008年與力拓公司合并，組成新的力拓加鋁公司，但對外仍以“加鋁”的老招牌名義進行經(jīng)營活動】研制的Airware2198-T8鋁鋰合金制造，并采用了大膽的半氣球貯箱設(shè)計、氧化劑燃料槽共底設(shè)計，整流罩和級間段則使用碳-碳復(fù)合材料制造。

此外，在具體的細節(jié)結(jié)構(gòu)減重設(shè)計方面，SpaceX的一些措施堪稱“極端”。例如，““獵鷹”9”1.1版的級間段把分離機構(gòu)從1.0版的9個減到了前所未有的3個。而且，在驗證了Airware2198-T8鋁鋰合金的可靠性后，更是進一步把箭體的長徑比放大到19。注意，這一長徑比設(shè)計可謂驚世駭俗。根據(jù)中國航天系統(tǒng)多年積累的經(jīng)驗，增大長徑比有利于降低火箭的飛行阻力、減輕箭體重量，但是同時造成箭體縱向剛度不足、容易發(fā)生震顫、進而降低火箭的可靠性，所以長徑需要以15為限制——火箭縱向剛度不足帶來的后果可能是災(zāi)難性的，要知道當初“東風2”導(dǎo)彈首飛試驗時，就是因為縱向剛度不足、箭體發(fā)生震顫導(dǎo)致發(fā)射失敗，可謂有著“血的教訓(xùn)”。此外，減重的焦點也不僅僅集中在箭體上。梅林1系列引擎發(fā)展到D型時，引擎重量已得到了徹底的精簡，推重比超過150，幾乎已是極限。

所以，我們可以毫不夸張第說，無論從哪方面看，當“獵鷹”9號發(fā)展到了目前最新的最大推力版本（“獵鷹”9FT）的時候，SpaceX基本已經(jīng)榨干了現(xiàn)有材料的潛力、顛覆了一系列火箭設(shè)計的經(jīng)驗公式，甚至帶著一副“人有多大膽，地有多高產(chǎn)”的勁頭來進行“賭博”式的嘗試。

不過他們確實博對了，而由此帶來的好處也很明顯，F(xiàn)T版的“獵鷹”9號甚至做到了超過25的干質(zhì)比（與之對比，我國最新的長征7號尚不足13，還有很大的潛力可以挖掘），箭體減重做到了極致。即便是有著梅林1D這個拖累，這枚火箭亦然具有較好的性能。

行文至此，有一個顯而易見的結(jié)論已經(jīng)躍然紙上：在經(jīng)歷過“獵鷹”1號時代的磕磕絆絆之后，SpaceX的新一代“獵鷹”9號火箭，是一款使用貨架產(chǎn)品結(jié)合成熟技術(shù)，并在合理范圍內(nèi)大膽運用新材料、新工藝，性能較好、成本控制非常成功的“經(jīng)濟適用性”火箭。

然而SpaceX在整個2015年內(nèi)最吸引眼球的地方，并不是“獵鷹”9的技術(shù)成熟與價格低廉。而是自其v1.1版本投入使用后，持續(xù)推進的關(guān)于火箭第一子級垂直回收的試驗。

v1.1版“獵鷹”9號，開始在火箭第一子級的底部安裝有四個可展開的支架，在頂端安裝有氣動格柵控制面。在與上面級分離后采用剩余燃料與回收平臺匯合（或者返回發(fā)射場上空），并垂直降落的姿態(tài)進行降落，以期實現(xiàn)第一級的整體回收。

自從第一級回收項目從2012年正式公布以來，馬斯克頻頻聲稱要憑借這個技術(shù)實現(xiàn)航天發(fā)射的“白菜化”——把單位質(zhì)量發(fā)射成本降低至現(xiàn)有1/20，震驚世界。對此，外界褒貶不一，心悅誠服、深信不疑者有之，半信半疑、謹慎觀望者有之，更有人嗤之以鼻……那么，“獵鷹”9號真的能兌現(xiàn)馬斯克的豪言，顛覆國際航天發(fā)射市場的格局么？而該公司數(shù)年前即高調(diào)啟動的重型“獵鷹”項目，是否能助其在技術(shù)上“碾壓”各路對手？

我們拭目以待。（未完待續(xù)）