熱寂+鬧鐘

美國東部時間2016年4月8日16時43分（北京時間9日04時43分），獵鷹9號火箭搭載著“龍”飛船，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地升空。在順利將飛船送入軌道的同時，火箭的第一級也成功地在“of course i still love you”號（意為“我依然愛你”）海上無人回收平臺實現了軟著陸。

2015年12月22日，SpaceX已成功實現了火箭第一級的陸上回收。這次海上回收的成功，意味著該公司已經實現2012年啟動的火箭第一級垂直回收研發(fā)項目第一階段的所有預定目標。

消息傳來，引發(fā)了一定規(guī)模的轟動效應。甚至很多此前不關注航天的群體也受其感染，開始加入到對SpaceX的贊譽中。在美國媒體口中，這家公司儼然成為了人類航天的希望之星。

然而專業(yè)人士必須認真考慮實際的數值。這家公司是否真如埃隆·馬斯克所言，將可以把單次發(fā)射成本降至600萬美元？借著這一成功，未來的低成本航天將走向何方？更為重要的是，該公司計劃在2016年下半年首次發(fā)射的超級火箭“重型獵鷹”，將引領這家美國航天界的明星公司走向何方？這些，想必是任何一個真正關心航天的人都非常有興趣了解的。

漸入佳境的獵鷹9號

獵鷹9號是一款在大量采用低風險成熟技術的同時，大膽啟用新材料、新工藝，最終實現較為優(yōu)異性能，且成本控制出色的“經濟適用性”火箭。

2010年6月4日，首枚v1.0版獵鷹9號攜帶“龍”飛船模擬艙，在卡納維拉爾角發(fā)射升空，并成功進入近地軌道。2010年12月8日，第一艘正樣“龍”飛船搭載獵鷹9號順利升空，環(huán)繞地球飛行兩圈后成功再入，降落在墨西哥海岸線外約800千米處。

此后的一年半里，SpaceX針對從v1.0版獵鷹9和“龍”試飛中發(fā)現的問題，采取了針對性的解決方案。根據公司官方說法，自啟動獵鷹1項目至獵鷹9首射成功，公司在運載工具方面投入的研發(fā)成本大約在3.9億美元規(guī)模。也就在此期間，SpaceX同時提出了引來無數目光的火箭垂直回收項目。

2011年4月，SpaceX正式啟動了其基于甲烷、液氧燃料的“猛禽”（Raptor）發(fā)動機。最初該項目僅由一支不滿10人的小團隊負責，以低優(yōu)先級進行推進。但在2011年晚些時候，馬斯克在接受采訪時發(fā)出豪言壯語，希望能夠在10-20年內將人類送上火星表面。2012年初，SpaceX明顯加強了“猛禽”研發(fā)團隊的規(guī)模，優(yōu)先級顯著提升。與之相關的各類宏偉構想也接踵而至，其中包括“火星殖民地運輸器”三級火箭，它的芯級直徑10米，一級并聯27臺“猛禽”。而馬斯克更是在當年年底表示，正在構想一個有數萬定居者的火星殖民地，首批殖民者將在本世紀20年代抵達，他將作為首位踏上火星的地球人，第一個把腳印留在這顆紅色星球上。

這些豪言壯語有真有假。首先，SpaceX確實有研發(fā)甲烷、液氧發(fā)動機的計劃。畢竟“梅林”1發(fā)動機的潛力已經被開發(fā)到極限，妨礙了SpaceX業(yè)務的進一步發(fā)展，所以研制新一代發(fā)動機勢在必行。但10米芯級超級火箭、火星殖民地以及馬斯克親自登上火星，都是短期內看不到的事情。即便馬斯克自己是認真的，SpaceX的股東們也不會輕易支持。然而，馬斯克借助這些吸引眼球的說辭，一直保持在輿論的風口浪尖上，在公眾和投資者的視野中閃亮著。

2012年5月22日，第一艘正式執(zhí)行貨運任務的“龍”飛船裝載著總重525千克的食物、飲用水、衣物、電腦硬件及其他設備，在卡納維拉爾角空軍基地40號工位，被獵鷹9號以51.6°傾角發(fā)射升空。當天晚些時候，“國際空間站”的機械臂順利捕捉到飛船，并實現了成功靠泊。任務獲得了圓滿成功。

當年10月8日和11月1日，SpaceX又兩次使用v1.0版獵鷹9火箭將“龍”飛船送入軌道，為國際空間站運去給養(yǎng)。10月8日發(fā)射的次要任務因火箭發(fā)動機未能再次點火而失敗，未能將“軌道通信”近地軌道通信衛(wèi)星送入預定軌道，但貨運任務圓滿成功。

連續(xù)三次貨運飛船發(fā)射任務的成功，一洗SpaceX當年在獵鷹1號項目上的晦氣。使其逐漸被業(yè)界和社會輿論所矚目。但獵鷹9號的v1.0版畢竟只是一種過渡型火箭。其載荷不足以支持重型設備進入軌道。所以“龍”飛船在這三次任務中為“國際空間站”投送的給養(yǎng)，其實是非常有限的。美國東部時間2013年3月1日15時10分，最后一枚v1.0版獵鷹9號送“龍”飛船升空，新的v1.1版火箭要登場了。

相比v1.0版，v1.1版進行了多項修改。其最大的升級，莫過于采用9臺經過大幅度改進的“梅林”1D發(fā)動機，第一級起飛推力提高約16%。此外，v1.1在箭體設計上也進行了重大調整，減重措施徹底而且極端，干質比大幅度提高。9月，加拿大太空局的CASSIOPE衛(wèi)星由獵鷹9號發(fā)射升空，這也是v1.1版火箭的首次任務，衛(wèi)星發(fā)射質量500千克。

隨著新運載火箭的可靠性得到驗證，2013年的12月3日，SpaceX迎來了首次真正意義上的重要商業(yè)發(fā)射，也是首次同步轉移軌道任務——發(fā)射SES-8通信衛(wèi)星。SES-8屬于世界第二大通信衛(wèi)星運營商、盧森堡的歐洲衛(wèi)星公司，發(fā)射質量3170千克，共攜帶33路Ku頻段轉發(fā)器。衛(wèi)星發(fā)射取得圓滿成功，表明SpaceX在國際衛(wèi)星發(fā)射市場上終于占據了一席之地。

在整個2014年，獵鷹9號完成了6次發(fā)射任務，同步轉移軌道和低地球軌道任務各半。其中1月6日將泰國通信衛(wèi)星公司的泰國通信6號衛(wèi)星發(fā)射入軌。該衛(wèi)星基于美國軌道科學公司的STAR-2平臺研制，重3325千克，功率3.8千瓦，配備18路C頻段和8路Ku頻段轉發(fā)器。8月5日和9月7日，分別將亞洲衛(wèi)星公司的亞星8號和亞星6號發(fā)射入軌。兩顆衛(wèi)星均基于美國勞拉空間系統公司的LS-1300LL平臺，分別重4535千克和4428千克。

2014年，“龍”飛船也分別于4月18日和9月21日兩次發(fā)射，為“國際空間站”送去補給。全年任務均獲成功，證明v1.1版獵鷹9號已非?？煽俊?/p>

縱觀整個SpaceX的發(fā)展史，通過炒作各類概念吸引眼球、吸引投資，同時爭取NASA為抗衡聯合發(fā)射聯盟的壟斷而明里暗里“放水”，是維系其生死存亡的關鍵，更是推動其沖破重重阻礙前行至今的根本。從最初獵鷹1號克服三連炸等挫折，實現首枚由中小型私營企業(yè)主導的運載火箭成功入軌，到通過概念推廣拿下NASA的太空物流合同并成功發(fā)射獵鷹9號，這家公司吸引了一大批來自社會各個層面的非專業(yè)支持者，也推動SpaceX的影響力節(jié)節(jié)攀升。但這也決定了SpaceX若想繼續(xù)擴大其影響力，就必須持之以恒地不斷推出新概念，吸引支持者眼球，使其持續(xù)“興奮”。

獵鷹9號和“龍”飛船成功了。SpaceX和馬斯克若想更進一步，那么只靠遙不可及的殖民火星是遠遠不夠的。正確的方向只有一個，那即是可復用航天運載器項目。

可復用的航天運載器

航天運載器可重復使用，一直是航天界最主要的暢想之一，卻長期一直沒有真正實現。

航天發(fā)射價格高昂的最主要原因，就是天地往返平臺的“一次性”特性?；鸺w結構實際上相當脆弱，且受制于現有技術和基礎理論，那些耗費巨額資金建造起來的運載火箭，其真正的有效載荷只有一點點——通常不超過全箭起飛總質量的2%。而其余的98%不是燃燒成氣體，就是燒毀在大氣層中，或者最后化為殘骸墜地。

1969年，美國國家航空航天局曾繪制出可復用載人航天器的藍圖。那就是著名的航天飛機。1981年4月12日，第一架航天飛機“哥倫比亞”號成功發(fā)射，與其駕駛者宇航員約翰·楊和克里平共同揭開了人類航天史上新的一頁。航天飛機雖然名為“飛機”，但其實無法像飛機一樣水平起飛。在發(fā)射時，它需要被固定在一個巨大的燃料罐上，同時由兩枚可復用的固體燃料火箭助一臂之力。在起飛階段，軌道器與火箭的組合體重約2040噸，起飛總推力達28000千牛。軌道器自重68噸，能裝運36噸重的貨物，大體上與一架DC—9客機的大小相仿。最多可載8名宇航員，根據成員數量，在軌時間可達7至30天。按照設計，軌道器可重復使用100次，但實際上從未達到。航天飛機集火箭和飛機的多項技術特點于一身。其發(fā)射時和火箭一樣垂直升空，在完成在軌任務再入大氣層以后，又像飛機那樣滑翔著陸。

然而航天飛機的初始意圖——可重復使用——卻沒有真正實現。雖然每個軌道器都重復飛行了多次，但維護費用并沒有降下來，實際上導致了比一次性火箭更高的使用成本。

首先，航天飛機軌道器和助推火箭雖理論上可重復使用百次，但在再入大氣層經歷過高溫和劇烈震動后，必須對機身進行逐寸檢查。為了保障航天飛機能夠安然渡過灼熱的減速過程，機腹和機身、機翼前緣覆蓋了大量隔熱瓦。這種特殊的絕熱材料不但先進、昂貴，還容易破損，每次都要更換一些。其次，航天飛機為了實現軌道器復用，入軌死重很大，運載比并不高?！案鐐惐葋啞碧柺鹿屎?，為了提高安全性，低軌道運力進一步下調、被限制在20余噸。

與機身的麻煩相比，航天飛機主發(fā)動機RS-25液氧＼液氫火箭可靠穩(wěn)定?？赡茉诮窈蟮暮教烊蝿罩欣^續(xù)使用。

航天飛機被設計可在2000千米以下圓形軌道上工作，也可進行同步轉移軌道飛行。但由于使用成本和遠遠高于預期的出勤周期，美方并未讓其執(zhí)行過后一種任務。成本加上使用周期的雙重問題，導致其最終無法和原計劃的那樣淘汰運載火箭。最終，因為兩次災難性事故和成本高昂等原因，在遠遠沒有達到“復用100次”指標的情況下，提前退役。

通過航天飛機的悲催生涯，人們很容易就能看出問題的實質：想要實現航天運載器的重復使用，高速再入大氣層是最大的瓶頸。一旦運載器獲得了足夠的速度沖出了大氣層，在以第一宇宙速度再入大氣層的過程中，就必然要經歷曾經讓“哥倫比亞”號空中解體的高溫、沖擊和震動。另一方面，要盡量降低為了實現復用而付出的運力損失代價，否則，在經濟上，復用是得不償失的。

那么馬斯克打算去怎么解決呢？SpaceX的答案是——不去解決，繞過問題。不考慮已經入軌的航天運載器的回收問題，只回收速度較慢的第一級。所以，下一個問題就是：怎么回收火箭的第一級？這種回收復用在經濟上劃算、可行么？

SpaceX的火箭回收之夢

早在上世紀80年代末，蘇聯就曾設想過多重可復用的火箭系統。其中最令人印象深刻的，是以“能源”號超級火箭為母型研制的ГК-175可回收式重型運載火箭。其配備了可獨立飛行滑翔降落的助推器組件。在火箭發(fā)射以后，全部助推器將在空中展開機翼，以滑翔的方式著陸返廠。

這種手段聽起來很美，但存在著相當大的技術風險。因此人們退而求其次，自上世紀70年代末起構想可部分回收火箭系統。部分回收火箭只有發(fā)動機部分需回收。在完成任務后，發(fā)動機部分從箭體上分離、氣動減速，下降到一定高度后展開降落傘。這時，將會有一架安裝了天鉤回收系統的飛機從其上方掠過，鉤住降落傘將其收回。整個回收過程很類似飛船返回艙的回收。

而SpaceX所采取的，是另外一套思路。

滑翔回收方式的系統復雜且風險很大。天鉤模式雖然較為可靠，但也需要一套獨立的分離、開傘系統。且部分回收復用的方案，根本不可能兌現馬斯克“發(fā)射成本降低90%”的豪言壯語。

既然火箭可以站著起飛，那么能不能站著回到地上呢。在獵鷹9號火箭的一子級完成任務后，它將進入動力減速/回收彈道，打開一子級上部的柵格氣動控制翼面，調整姿態(tài)、尾部向前，斷續(xù)啟動一臺或者多臺發(fā)動機減速?；蛘{頭返航、返回發(fā)射場，或沿濺落彈道的方向、飛向預設的回收場地。在抵達著陸區(qū)后，發(fā)動機再次啟動、把一子級的降到很低的速度，打開著陸支架、對準著陸靶標，緩慢著陸。

為了驗證這樣的想法，SpaceX研制了一枚名為“蚱蜢”的火箭試驗器。

“蚱蜢”項目始于2011年末，其大致模擬獵鷹9號第一級的尺寸、采用“梅林”1C發(fā)動機，并裝有一套固定式的輕合金支撐腳。自2012年9月21日至2013年10月7日，“蚱蜢”共進行了8次發(fā)射試驗。滯空時間從3秒逐漸增加至79秒，飛行高度從1.8米延伸至744米。該項目旨在研究不同環(huán)境和氣流下，火箭的垂直姿態(tài)控制。

在“蚱蜢”項目取得第一階段成功以后，項目即進入到F9R Dev1飛行測試階段。所謂的“F9R Dev1”，是“獵鷹9號可復用發(fā)展飛行器”的意思，基本上模仿v1.1版獵鷹9號的第一級，采用相同的箭體和燃料與“梅林”1D發(fā)動機，安裝了可收放式的著陸支撐架，并在箭體頂部安裝4片可控氣動格柵用于姿態(tài)調整。

從2014年4月17日到8月22日，F9R Dev1共進行了5次飛行試驗。飛行高度最大達到1000米。試驗型全面測試了可收放式支撐腿的動作機構，并對氣動格柵的控制效率進行了評估。不過，在第五次試驗時，F9R Dev1意外爆炸損毀。

SpaceX原本計劃制造F9R Dev2進一步進行測試評估。不過該項目最后被放棄。下一步就是把這個回收系統安裝到獵鷹9號上，計劃利用每次發(fā)射任務來進行實箭測試。

垂直回收之路

從2015年開始，SpaceX開始使用實際執(zhí)行任務的火箭，來繼續(xù)推進其第一級火箭回收項目。從此之后，4支可展開的機械支撐腿以及第一級頂部可張開的氣動格柵，成為了獵鷹9號的標配。與“蚱蜢”火箭與F9R Dev1上的測試相比，這是貨真價實的實際運用環(huán)境。然而如果所有新技術試驗項目一樣，火箭回收的初期并不是很順利。

2015年1月10日，回收項目首次實箭測試。當天，在完成了CRS-5第一階段飛行任務后，火箭的第一級火箭順利與上面級分離，并按照程序設定落向大西洋上一艘由駁船改裝的著陸平臺。雖然準確地“命中目標”，但由于下降速度過快，導致火箭狠狠地砸在在甲板上，猛烈爆炸。

一個月后的2月12日，又一枚v1.1版獵鷹9號在完成為美國國家海洋和大氣管理局發(fā)射“深空氣候觀測站”衛(wèi)星發(fā)射的任務后，由于當日海上風浪突變，駁船被迫撤回?；鸺谝患夒m然在海面上成功實現了減速，但無處可落，最終也只能栽在大西洋里。

又過了2個月，4月14日，SpaceX履約執(zhí)行CRS-6發(fā)射任務。一級火箭成功和著陸駁船實現了交匯，并順利減速。但由于箭體觸及甲班時橫向速度過大，未能立足于其上。在箭體傾覆后，再度上演了爆炸起火的戲碼。

2015年6月28日，SpaceX借用新一期發(fā)射“龍”飛船的機會，但是火箭在發(fā)射時爆炸，沒有給人們嘗試垂直回收的機會。

連續(xù)失利，讓一部分支持者感到沮喪。但馬斯克本人卻毫不動搖。2015年12月22日，SpaceX公司再戰(zhàn)火箭回收。和之前有所不同的是，這次發(fā)射的軌道通信公司新一代星座都是小衛(wèi)星（共11枚，總重1892千克），火箭剩余運能充沛，可以預留足夠的燃料、選擇風險較小的返場回收彈道。

為提高成功率，這一次不打算著陸在海上平臺，而是返回原發(fā)射場著陸，降低任務難度以謀求突破。本次用于執(zhí)行回收測試的，是獵鷹9號系列中最新的“全推力”版（Falcon 9 full thrust，即FT型）。與v1.1版相比，其全箭長度達到了70米，長徑比超過了19，質量則增加到了549.054噸，比505.846噸的v1.1版重了大約8%。此外，其發(fā)動機在“梅林”1D上進行了調整和優(yōu)化，故其起飛推力號稱可達7607千牛，比v1.1版多了大約20%。

在發(fā)射前，整個團隊認真檢討了之前所犯過的錯誤并考慮對策，然后認真檢查了火箭的每個環(huán)節(jié)，對尚不妥善的發(fā)動機和火箭的分離系統進行了修改，甚至專門調整了燃料的配比。

該次發(fā)射任務多次推遲，最終在當地時間2015年12月21日20時29分，于卡納維拉爾角發(fā)射升空。

火箭第一級，在發(fā)射數分鐘后順利地與上面級分離。隨后其按照程序開始調姿轉向，向著卡納維拉爾角上空返航。當晚20點38分，在SpaceX全體員工以及全球數十萬支持者的期盼中，火箭第一級成功在發(fā)射場邊的著陸區(qū)實現了自主式垂直降落降落。在當天的直播視頻中，筆者聽到了持久而澎湃的歡呼聲。

實現第一級的返場垂直回收，只是SpaceX整個復用式航天器計劃的1/3任務。與海上回收方式相比，返場回收的代價過大。由于SpaceX至今不曾公布其火箭與回收系統的明確技術參數，只能搜集現有的概略數據進行量化分析。

以目前的獵鷹9號，要實現一子級垂直返場（類似2015年12月23日實現的返場回收模式），需要預留15.29%～17.11%的推進劑量。折算下來，其運載能力損失在52.6%～56.76%之間。若選擇海上回收，則僅需要預留6.82%的推進劑量。折算其運載能力損失為28.9%。但是12月21日的成功證明了整個回收技術和流程是可行的，這激勵了團隊，也使全世界的支持者信心百倍。

2016年1月17日，最后一枚v1.1版獵鷹9號火箭搭載著Jason-3海洋觀察衛(wèi)星，從加利福尼亞州范登堡空軍基地發(fā)射升空?；厥罩校谝患壋晒p速，在海上平臺上實現軟著陸，但有一根著陸支架未能鎖定，箭體傾覆爆炸。

一個半月以后的3月4日，SpaceX公司迎來其自創(chuàng)建以來的最重要一次“考試”——SES-9任務。SES-9是一枚大型通信衛(wèi)星，基于波音公司702HP平臺建造，額定功率12.7kw、搭載多達57路功率Ku頻段轉發(fā)器。該衛(wèi)星重達5271千克，是迄今為止SpaceX接到的GTO發(fā)射合同中最重、也是最貴的一單。如果順利入軌，則意味公司從此獲得了在航天發(fā)射市場內的正式會員資格。反之，馬斯克很可能將會把此前辛苦數年換來的一切統統賠進去。所以，只要發(fā)射成功，即可萬事大吉。

該任務接近了獵鷹9FT的運力極限。為了最大限度壓榨F9FT的潛力、提高運力，首次采用了燃料深冷加注技術，把液氧的溫度降低到沸點以下幾十度，使之密度增大、可以多加注一些燃料。

發(fā)射計劃原本定在2月末，但連續(xù) 4次或因為天候、系統自檢問題以及船舶誤入降落區(qū)等緣故而推遲。特別是2月28日，火箭由于等待誤入降落區(qū)的船只離開而延期35分鐘發(fā)射，導致點火時箭體內液氧貯箱溫度升高產生氣泡，繼而引發(fā)推力不足問題。檢測到故障的火箭控制系統緊急終止了發(fā)射程序，所幸星箭平安，未釀成大禍。

3月2日，“罰站”近一周的火箭被從發(fā)射臺卸下，送入就近的車間進行應急維護。盡管存在相當大的風險，但SpaceX已是騎虎難下。因為發(fā)射合同將面臨延期違約的風險。而一再的意外，也可能重挫支持者乃至投資人的信心。故馬斯克拍板，3月4日必須發(fā)射。在馬斯克的職業(yè)生涯中，這類近似賭博的情況已經有過多次。2008年8月的那次，SpaceX距離破產僅一步之遙。好在NASA及時投下了十幾億的合同。而這一次，馬斯克又博對了！

美國東部時間2016年3月4日夜里23點35分，搭載著SES-9的獵鷹9號FT在卡納維拉爾角發(fā)射場40號工位騰空而起?；鸺痫w約4分鐘后，第一級完成任務，在分離后調整姿態(tài)準備降落。而上面級則攜帶SES-9衛(wèi)星繼續(xù)向著地球同步轉移軌道爬升。

這一次的回收試驗充分汲取了之前的教訓，加之當天天氣條件非常良好，所以箭臺交會非常成功。在校準位置后，火箭開始啟動發(fā)動機截流功能緩緩向著平臺落下。首次成功實現海上平臺降落在此一舉。突然，發(fā)動機似乎出現了熄火的跡象！正穩(wěn)定下降的火箭第一級立刻失去動力，從數百米高度筆直落下，重重砸在了著陸平臺上。

從次日平臺返港的照片中，我們可以看到平臺上遍布火箭第一級殘骸，火箭第一級的狀態(tài)堪稱“粉碎”。而著陸平臺的一角，也被墜落的火箭第一級砸出了個大洞。但與前幾次的失敗相比，本次在平臺上留下的燒灼痕跡異常之少。這說明失敗的根本原因在于本次任務已經逼近F9FT的運力極限，預留燃料不足，動力減速過程非常勉強。

SpaceX拿到了世界航天發(fā)射市場的正式入場券，成為了“列強”之一。無論ULA有多強大，都無法再從市場角度對其加以遏制。然而這次勝利終究并不完美，因為海上回收亦然未能成功。好在，勝利的曙光已經浮現在了天際。

能否改寫歷史

2016年4月8日獵鷹9號的成功，使得歷時達4年半之久的SpaceX公司可復用航天運載器計劃終于看到光明的未來。

歡呼和祝賀的聲音，沖破國界的阻礙，從四面八方涌向馬斯克。而SpaceX最大的對手，那個曾經在美國國內呼風喚雨，完全壟斷著市場的聯合發(fā)射聯盟公司，正在承受著巨大的壓力——自烏克蘭危機爆發(fā)以來，從俄羅斯進口RD-180發(fā)動機的合同受到國會的嚴厲指責，屢次有議員提出停止進口。而這就意味著聯合發(fā)射聯盟公司兩大主力火箭之一的宇宙神5號無法使用，整個公司的航天發(fā)射業(yè)務將會癱瘓一半。

而埃隆·馬斯克似乎站在了他人生新的高點之上。廉價航天的時代是否就此開始？而SpaceX在此之后，又有何雄心壯志？是否能夠改寫歷史？且看下回分解。（未完待續(xù)）