十五層樓高的火箭向地面墜落下來，減搖鰭劇烈地震動著，尾噴口不斷噴出熾熱的火焰以保持火箭穩(wěn)定?？雌饋磉@像是要注定奔向墜毀的一次飛行，但當(dāng)火箭接近地表，發(fā)動機(jī)推力驟然增強(qiáng)，火箭的下落速度明顯放緩，砰的一聲，登陸支架從火箭尾部彈出。隨著滾滾濃煙散盡，火箭穩(wěn)穩(wěn)地直立落在地面，完好無損。

直到十年前，上述場景還只是科幻電影中的畫面。但在經(jīng)歷了數(shù)次失敗之后，美國民營火箭制造商SpaceX公司在過去半年里四次回收了運(yùn)載火箭——第一次是2015年12月在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角回收的，最近一次是今年4月首次在大西洋中部的遙控駁船上回收的。而這些并不是試驗(yàn)專用的火箭，而是剛剛將商用航天飛船發(fā)射入軌道的“獵鷹9號”火箭的46米長的第一級火箭。通過將返回的火箭進(jìn)行翻新和再利用，SpaceX公司的創(chuàng)始人、億萬富翁埃隆·馬斯克希望最終能使火箭像商業(yè)航空飛行一樣經(jīng)濟(jì)。他認(rèn)為，既然民用客機(jī)不會在每次飛行后被扔掉，那么為什么運(yùn)載火箭就不行呢？

火箭重復(fù)使用好在哪兒？

自從1944年納粹德國向倫敦發(fā)射V-2火箭以來，絕大多數(shù)運(yùn)載火箭都是一次性使用的。發(fā)送1千克物體上太空的成本在1萬到2萬美元之間，用一次扔一次的使用方式使得航天發(fā)射成本居高不下。以SpaceX公司的“獵鷹9號”火箭為例，其總造價(jià)為5000萬美元，而火箭燃料的成本只有20萬美元，僅占火箭成本的0.4%。因此，SpaceX公司一直在研究如何回收以及重復(fù)使用運(yùn)載火箭的有關(guān)技術(shù)，以大大降低航天發(fā)射成本。如果能回收并重復(fù)使用火箭的第一級，將可降低火箭成本80%；而如果第二級也能回收并重復(fù)使用，則可降低火箭成本99%。

所以，火箭可重復(fù)使用帶來的第一大優(yōu)勢就是大大降低了發(fā)射成本。上面提到的只是火箭制造成本。開發(fā)和研制一種火箭發(fā)動機(jī)同樣花費(fèi)不菲，需要做大量的地面試車工作。如果能夠開發(fā)出可多次使用的火箭發(fā)動機(jī)，就可以節(jié)省大量費(fèi)用。此外，火箭發(fā)動機(jī)如果是小批量生產(chǎn)，每一小批量都需要進(jìn)行一定百分比的抽檢試驗(yàn)，這需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)娜肆?、物力和時(shí)間；而可回收的發(fā)動機(jī)，一次抽檢、一次驗(yàn)證，便能多次使用，可以降低抽檢次數(shù)。當(dāng)使用次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，每次重復(fù)使用火箭發(fā)動機(jī)的檢修費(fèi)用就會低于抽檢費(fèi)用，這將會達(dá)到節(jié)約成本的目的。

第二大優(yōu)勢是安全。通過開發(fā)可重復(fù)使用技術(shù)也可提升火箭發(fā)射的可靠性，并降低風(fēng)險(xiǎn)。考慮到工藝穩(wěn)定性、技術(shù)成熟度等多方面因素，新研制的火箭本身就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。然而，對可回收的火箭發(fā)動機(jī)而言，它已經(jīng)有過多次飛行驗(yàn)證，具備較高的技術(shù)成熟度，這在一定程度上提高了發(fā)射可靠性。

第三大優(yōu)勢是縮短火箭發(fā)射周期。隨著探索太空的步伐加快，航天發(fā)射市場的需求也在不斷擴(kuò)大，火箭發(fā)射也將越來越頻繁。傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭，即使是成熟的型號，從接到訂單到備料生產(chǎn)，到抽檢試驗(yàn)、最后發(fā)射，整個(gè)過程大約需要一年半的時(shí)間，這已經(jīng)難以滿足快速擴(kuò)張的市場需求。而可回收的火箭，只需經(jīng)過短時(shí)的檢測、維修、組裝，就能再次投入使用，這將大大縮短火箭生產(chǎn)周期，從而提高市場反應(yīng)能力。

最后，可回收火箭能夠從根本上解決火箭殘骸墜落問題?；鸺龤埡÷涞厥歉鲊M(jìn)行航天發(fā)射時(shí)都要面臨的問題，對火箭殘骸的落點(diǎn)進(jìn)行更為精確的控制，一直是科研人員不斷努力的方向。而可回收火箭在完成發(fā)射任務(wù)后受控降落，將會一勞永逸地解決火箭殘骸墜落的問題。

從科幻到現(xiàn)實(shí)

1930年4月，一群為雨果·根斯巴克創(chuàng)辦的《科學(xué)奇異故事》雜志投稿的作者聚集在一起，促成了美國火箭協(xié)會的誕生。1931年初，雜志創(chuàng)始人大衛(wèi)·拉瑟在博物館安排了一次公共聚會，主題為“火箭登月”。這次聚會最吸引人之處是安排放映了英文版的《月亮上的姑娘》。拉瑟把該片的愛情鏡頭剪輯掉，將它宣傳為“表現(xiàn)了一枚幻想的但在科學(xué)上可實(shí)現(xiàn)的火箭的真實(shí)登月過程”。影片中的火箭就是一枚在地球上點(diǎn)火發(fā)射、又在月球上再次點(diǎn)火降落的可重復(fù)使用火箭。歷史學(xué)家認(rèn)為，該協(xié)會為美國火箭工業(yè)后來的發(fā)展打下了牢固的基礎(chǔ)。

其實(shí)，早在20世紀(jì)20、30年代，人們就認(rèn)為火箭應(yīng)該是可重復(fù)使用的。當(dāng)時(shí)的美國科幻漫畫如《巴克·羅杰斯》和《飛俠哥頓》中已經(jīng)提出這個(gè)想法，里面的每一艘飛船、每一枚火箭都是可以反復(fù)使用的。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，被俘的德國火箭科學(xué)家透露，他們曾計(jì)劃建造一架亞軌道太空飛機(jī)，納粹希望利用這架代號為“銀鳥”的空天轟炸機(jī)轟炸美國，不過這個(gè)計(jì)劃后來并未實(shí)現(xiàn)。“銀鳥”有一個(gè)特別的設(shè)計(jì)，它的形狀像一個(gè)翅膀，因此有助于產(chǎn)生氣動升力。1958年，美國空軍開始利用這一想法設(shè)計(jì)一種可回收的羽翼形狀的太空飛船，但由于登月計(jì)劃的出現(xiàn)，這架代號為“X-20 Dyna-Soar”的飛船遭到了擱置。

阿波羅登月計(jì)劃成功后，美國國家航空航天局重新開始了其念念不忘的計(jì)劃：打造可重復(fù)使用的、有翼的太空飛機(jī)——航天飛機(jī)。之后打造的五架航天飛機(jī)，平均每架進(jìn)行了27次飛行任務(wù)。然而，在使用過程中，航天飛機(jī)暴露出系統(tǒng)復(fù)雜、每次飛行后維修費(fèi)用高昂的弊端；再加上可靠性問題，這些都影響了航天飛機(jī)的使用價(jià)值。因此，在經(jīng)歷了三十年一百多次飛行后，美國決定終止航天飛機(jī)項(xiàng)目。不過，這并不意味著可重復(fù)使用的航天器過時(shí)了，也許恰恰相反，它超越了當(dāng)時(shí)那個(gè)時(shí)代。

航天飛機(jī)的一個(gè)弊端是每次發(fā)射中間都需要進(jìn)行翻新，SpaceX公司的可回收火箭也必須如此。盡管SpaceX已經(jīng)成功回收了火箭，但是他們尚未對回收的火箭進(jìn)行再次發(fā)射。這才是他們面臨的真正考驗(yàn)。如果可以重新使用火箭的所有部件，下一次發(fā)射就省錢了。但如果把火箭完全拆開進(jìn)行翻修，那么相當(dāng)于每次發(fā)射都重新造了一枚火箭。

早在20世紀(jì)90年代末，麥道公司就開始用“三角快帆”飛行器試驗(yàn)動力反推垂直下降技術(shù)。“三角快帆”是世界上第一種以火箭發(fā)動機(jī)為動力、垂直起降的完全重復(fù)使用運(yùn)載器。它進(jìn)行了四次飛行試驗(yàn)，最大飛行高度3155米，然后像直升機(jī)一樣，用四臺小發(fā)動機(jī)反推減速，最終達(dá)到平穩(wěn)著陸的目的。后來由于在第四次飛行試驗(yàn)中“三角快帆”被燒毀，該計(jì)劃提前結(jié)束。不過，“三角快帆”的垂直起降試驗(yàn)表明，火箭采用動力反推垂直下降技術(shù)是可行的。然而，要實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的垂直起降需要攻克四大關(guān)鍵技術(shù)。

火箭回收四大難題

“獵鷹9號”一級火箭高達(dá)46米，重心很高，要在風(fēng)浪很大的平臺上站穩(wěn)很不容易。在海上回收火箭的難度，相當(dāng)于在暴風(fēng)雨中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上。SpaceX海上平臺的面積是50米×70米，火箭著陸時(shí)，四個(gè)支架的展開半徑有23米左右，偏離一點(diǎn)就失敗了。

要完成如此高精度、高難度的火箭回收，需攻克四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

一是控制好火箭姿態(tài)和落點(diǎn)精度。與航天飛機(jī)水平著陸不同，火箭回收是垂直著陸?；鸺源怪钡淖藨B(tài)降落，必須解決姿態(tài)控制問題，而越是豎長的物體，就越難以控制?；鸺煨图?xì)長，落地姿態(tài)不正就容易倒下。因此，需要解決大長徑比的發(fā)動機(jī)垂直降落的姿態(tài)控制、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一系列難題。

二是火箭發(fā)動機(jī)推力可調(diào)、可多次啟動?；鸺厥諘r(shí)要點(diǎn)火反推，這個(gè)克服重力的過程不斷消耗燃料，火箭總質(zhì)量也不斷變化。這就需要發(fā)動機(jī)推力可以調(diào)節(jié)，當(dāng)質(zhì)量下降時(shí)，推力要同步減小，否則火箭容易向上翻滾。在回收過程中，火箭發(fā)動機(jī)要在推力和方向上不斷地調(diào)節(jié)和調(diào)整來進(jìn)行精確控制，使下落速度從最初的每秒3000米降到最終的每秒2米。這對燃燒室、渦輪泵、閥門等各組件的要求都很高。

三是克服再入隔熱技術(shù)，需要研制一種新型隔熱復(fù)合材料。由于有“阿波羅”登月艙等技術(shù)作為基礎(chǔ)，使得一級火箭的垂直返回回收技術(shù)難度相對較小。未來要做到二級火箭回收，將面臨更加嚴(yán)酷的氣動熱環(huán)境。

四是著陸支架技術(shù)。接觸著陸平臺后，還需著陸架進(jìn)一步緩沖和減少震動。

火箭的重復(fù)使用，對火箭發(fā)動機(jī)核心部件的性能和壽命提出了更高要求。目前，火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)壽命、試車時(shí)間都是以秒為單位計(jì)算。對于火箭來說，保證材料和相關(guān)設(shè)計(jì)在短時(shí)間頂?shù)米∈且粋€(gè)問題，確保延長使用壽命又是另外一個(gè)問題。航天飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)的燃燒室壓強(qiáng)高達(dá)207個(gè)大氣壓，燃燒室的工作溫度約為3300℃。目前最先進(jìn)的渦扇發(fā)動機(jī)渦輪溫度不到1700℃，其中一個(gè)小小的渦輪泵的功率就是目前最先進(jìn)的主戰(zhàn)坦克發(fā)動機(jī)功率的數(shù)十倍。讓這樣的發(fā)動機(jī)順利工作一次（幾百秒）就已經(jīng)非常困難，而要重復(fù)使用多次，材料和工藝都必須要有巨大的飛躍。

一級火箭成功回收只是一個(gè)開始，僅僅意味著這項(xiàng)技術(shù)具有可行性，想要真正掌握這一技術(shù)，還需要通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。若要驗(yàn)證火箭的發(fā)動機(jī)是否可以重復(fù)使用，還要進(jìn)一步驗(yàn)證回收二級火箭的可行性。因此，雖然試驗(yàn)取得成功，但技術(shù)成熟至少還需3到5年。SpaceX接下來將進(jìn)行多次回收火箭的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，檢測其發(fā)動機(jī)、箭體結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備能否重復(fù)使用，再將其發(fā)射升空并回收。如此反復(fù)多次，才能使一級火箭回收與重復(fù)使用技術(shù)成熟起來。

回收能力大比拼

其實(shí)，“獵鷹9號”火箭并非第一枚成功回收的火箭，而是第一枚成功實(shí)現(xiàn)回收的軌道運(yùn)載火箭。因?yàn)?015年11月24日，亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯旗下的“藍(lán)色起源”太空公司成功將“新謝潑德號”火箭發(fā)射到約100千米的高度，火箭隨后又成功返回發(fā)射場。這是全球第一枚發(fā)射升空后又完好無損返回地面的火箭。不僅如此，藍(lán)色起源公司還于2016年1月把回收的火箭再次發(fā)射并令其成功在陸地上軟著陸。

要分析兩者孰優(yōu)孰劣，看看火箭參數(shù)就十分清楚了?！靶轮x潑德號”火箭屬于單級運(yùn)載火箭，發(fā)動機(jī)推力為50噸級。這意味著這款火箭的質(zhì)量并不大，屬于迷你型火箭。SpaceX公司的“獵鷹9號”是兩級運(yùn)載火箭，起飛質(zhì)量約500噸，相當(dāng)于新謝潑德火箭的10倍?！矮C鷹9號”目前回收的是第一級火箭，第二級還沒有回收；“新謝潑德號”火箭返回的是整體，這是兩者的根本區(qū)別。在設(shè)計(jì)方面，“獵鷹9號”火箭第一級分離后進(jìn)入滑翔狀態(tài)，然后再掉轉(zhuǎn)方向尾部朝下返回地面。

而且，這兩種火箭的用途并不相同，在商業(yè)上沒有競爭關(guān)系。藍(lán)色起源公司開發(fā)“新謝潑德”火箭的目的非常明確，就是搶占亞軌道的旅游市場，該公司的競爭對手不是SpaceX公司，而是諸如維珍銀河這樣的亞軌道旅游公司。維珍銀河也有亞軌道旅游方案，只不過是用安裝火箭發(fā)動機(jī)的飛機(jī)，不是運(yùn)載火箭，藍(lán)色起源公司則用火箭做旅游載具?；鸺l(fā)射時(shí)的推背感和飛機(jī)從跑道上起飛的感覺是不一樣的。

“獵鷹9號”火箭的目標(biāo)是將有效荷載運(yùn)送到近地軌道，無論飛行高度還是速度都和進(jìn)行亞軌道發(fā)射的運(yùn)載火箭不是一個(gè)量級。而且“獵鷹9號”火箭第一級的長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“新謝潑德號”火箭，其控制難度更大，回收難度也更大。

未來的沖擊

重復(fù)使用將是未來運(yùn)載火箭發(fā)展的一個(gè)趨勢，無論在商業(yè)上還是在軍事上都有潛在的價(jià)值。除了美國，歐洲、日本、印度都在對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行預(yù)研。2015年1月5日，法國宣布已開始與德國等國開展小型技術(shù)研究項(xiàng)目，研制以液氧/甲烷為燃料的可重復(fù)使用火箭。2015年4月，與美國軍方關(guān)系密切的航天公司“美國發(fā)射聯(lián)盟”公布了名為“火神”的新一代軍用運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)將在2024年后達(dá)到實(shí)用水平。

目前，我國的火箭可重復(fù)使用技術(shù)仍然處于探索階段。最新的消息是，2015年11月，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院成功完成火箭子級回收群傘空投試驗(yàn)，離實(shí)現(xiàn)火箭可重復(fù)使用又近了一步。

火箭的重復(fù)使用，將給衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化。因?yàn)榘l(fā)射費(fèi)用很便宜，如果衛(wèi)星壞了，再發(fā)射一顆填補(bǔ)空缺便是。這就意味著我們能設(shè)計(jì)比現(xiàn)在便宜得多的衛(wèi)星，而不必再花費(fèi)大量資金來確保衛(wèi)星長時(shí)間穩(wěn)定工作。

從長遠(yuǎn)看，可重復(fù)使用火箭的普及會加速人類進(jìn)入太空的步伐。目前，載人航天最大的障礙就是成本過高，限制了進(jìn)入太空的人數(shù)。如果可重復(fù)使用航天技術(shù)取得了實(shí)用性進(jìn)展，未來普通人也有機(jī)會進(jìn)入太空游玩和工作。

一百多年前，當(dāng)飛機(jī)問世的時(shí)候，乘飛機(jī)旅行只是少數(shù)人的權(quán)利。當(dāng)年誰會想到，飛機(jī)會成為城市間平凡的交通工具？同理，今天乘火箭飛向太空還是宇航員的專利，但誰又敢說，未來的某一天，火箭不會成為普通人太空出行的普遍工具？到那一天，火箭也許就像飛機(jī)一樣，可以重復(fù)使用許多年。【責(zé)任編輯：楊楓】