□ 張雪松

從 屢戰(zhàn)屢敗到 習(xí)以為常
——“獵鷹”火箭回收技術(shù)逐步成熟

□ 張雪松

1月15日凌晨1點(diǎn)54分，10顆新一代銥星由太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”9號(hào)火箭成功發(fā)射，這是去年9月1日“阿莫斯”6衛(wèi)星事故后“獵鷹”火箭重整旗鼓的一次發(fā)射，火箭第一級(jí)也成功實(shí)現(xiàn)了海上回收。時(shí)至今日，“獵鷹”火箭的一級(jí)回收試驗(yàn)從屢戰(zhàn)屢敗發(fā)展到眾人習(xí)以為常，一級(jí)火箭的反推垂直降落回收技術(shù)逐步成熟。

2015年12月22日，“獵鷹”9號(hào)V1.1全推力版的第一級(jí)在卡納維拉爾角著陸場(chǎng)著陸成功

軌道器復(fù)用的航天飛機(jī)

致力于廉價(jià)進(jìn)入太空

太空探索技術(shù)公司致力于廉價(jià)進(jìn)入太空，從一開(kāi)始就瞄準(zhǔn)了運(yùn)載火箭的重復(fù)使用。航天領(lǐng)域運(yùn)載工具重復(fù)使用的研究已有幾十年的歷史，但工程師們習(xí)慣性地追求“高端大氣上檔次”的實(shí)現(xiàn)方案，比如軌道器復(fù)用的航天飛機(jī)或是使用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)單級(jí)入軌的國(guó)家空天飛機(jī)（NASP），這些嘗試不是沒(méi)有帶來(lái)發(fā)射成本的下降，就是因技術(shù)難度太大半途而廢。太空探索技術(shù)公司走的是一條新路：他們?cè)诔晒Φ囊淮涡曰鸺幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，衍生出可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭。這樣的思路盡顯公司老板馬斯克的商人本色，雖然他極為熱衷運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，并大力鼓吹復(fù)用會(huì)將成本降低到現(xiàn)有火箭的十分之一甚至更低，但是實(shí)際研制中卻是一步一個(gè)腳印地走過(guò)來(lái)：先做到一種成功的一次性火箭保底，隨后漸進(jìn)提高復(fù)用程度，即使復(fù)用開(kāi)發(fā)失敗，也能保住廉價(jià)航天發(fā)射商的地位。

垂直起降先鋒——道格拉斯公司的DC-X

火箭重復(fù)使用的發(fā)展思路更明智，并不等于最后一定成功。太空探索技術(shù)公司早期試圖通過(guò)降落傘回收火箭第一級(jí)，這是過(guò)去航天公司們熱衷討論的方案之一，但現(xiàn)實(shí)無(wú)情地打破了這個(gè)美夢(mèng)：“獵鷹”9號(hào)火箭連續(xù)兩次發(fā)射的回收中，第一級(jí)箭體不是沒(méi)信號(hào)直接解體，就是有了信號(hào)但仍然解體。事實(shí)證明，餡大皮薄的火箭第一級(jí)直接無(wú)控再入，是很難在苛刻的熱環(huán)境和大過(guò)載下完好無(wú)損地保存下來(lái)的。根據(jù)這一經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)借鑒道格拉斯公司DC-X等垂直發(fā)射和降落的航天器的思路，太空探索技術(shù)公司轉(zhuǎn)向火箭反推減速并飛回發(fā)射場(chǎng)的方案，早期的試驗(yàn)著重于突破完整再入大氣層和完成海上垂直降落的嘗試。

降落在海上平臺(tái)的“獵鷹”9號(hào)火箭的第一級(jí)

銥星發(fā)射后，“獵鷹”9號(hào)火箭的第一級(jí)準(zhǔn)備在海上降落

執(zhí)行CRS-8發(fā)射任務(wù)的“獵鷹”9號(hào)火箭第一級(jí)首次在船上降落成功

海上回收技術(shù)逐漸成熟

“獵鷹”9號(hào)火箭第一級(jí)受控再入大氣層的試驗(yàn)非常順利，這相當(dāng)出人意料。2013年9月執(zhí)行發(fā)射CASSIOPE衛(wèi)星的飛行中，火箭第一級(jí)反推減速并安全再入大氣層，雖然海面軟接觸前的最后一次反推中，火箭異常滾動(dòng)導(dǎo)致燃料輸送不濟(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)還是把火箭摔成碎片，但距離完整落海只有一步之遙。2014年4月CRS-3任務(wù)中，“獵鷹”9號(hào)火箭第一級(jí)就安全完整地落到海面，并發(fā)送出聯(lián)系信號(hào)。隨后火箭在海上回收平臺(tái)上軟著陸的試驗(yàn)卻幾經(jīng)坎坷，雖然落到回收船附近并不困難，但最后的著陸卻控制不佳，接連砸到船上。2015年6月“獵鷹”火箭空中爆炸后，“獵鷹”火箭暫時(shí)停止發(fā)射，更是為一級(jí)回收蒙上了陰影。難能可貴的是，2015年底“獵鷹”火箭首次恢復(fù)發(fā)射時(shí)，太空探索技術(shù)公司不僅使用大幅度改進(jìn)的“獵鷹”9號(hào)V1.1全推力版，更選擇繼續(xù)進(jìn)行一級(jí)著陸試驗(yàn)。皇天不負(fù)有心人，2015年12月22日“獵鷹”9號(hào)V1.1全推力版的第一級(jí)在卡納維拉爾角著陸場(chǎng)著陸成功，以無(wú)可辯駁的事實(shí)宣告了火箭反推垂直著陸方式的可行性。

“獵鷹”火箭一級(jí)陸地著陸的成功，只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步。即使“獵鷹”火箭的質(zhì)量比很高，但火箭第一級(jí)返回陸地著陸仍會(huì)損失很大的運(yùn)載能力。按照太空探索技術(shù)公司的說(shuō)法，如果降落在海面的回收船上，火箭要損失約15%的運(yùn)載能力；而飛回發(fā)射場(chǎng)著陸，損失的運(yùn)載能力高達(dá)30%！至于未來(lái)的重型“獵鷹”，芯級(jí)要飛回陸上發(fā)射場(chǎng)更是要極大地?fù)p失運(yùn)載能力，所以海上回收仍然是更好的選擇。

2016年1月17日，“獵鷹”9號(hào)發(fā)射“賈森”3衛(wèi)星時(shí)進(jìn)行了海上回收，火箭第一級(jí)順利軟著陸，但其中的一個(gè)著陸腿沒(méi)有鎖住，導(dǎo)致火箭倒下爆炸，但這一次試驗(yàn)雄辯地證明了海上回收并沒(méi)有不可逾越的工程障礙。2016年4月8日?qǐng)?zhí)行CRS-8貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)時(shí)，“獵鷹”9號(hào)第一級(jí)在大西洋上的回收船上著陸成功。5月6日“獵鷹”9號(hào)發(fā)射日本的JCSat-14衛(wèi)星，第二級(jí)負(fù)責(zé)將衛(wèi)星送入同步轉(zhuǎn)移軌道，第一級(jí)則再入返回并著陸成功，這也是第一次同步軌道發(fā)射任務(wù)的成功著陸?！矮C鷹”9號(hào)火箭接下來(lái)又在5月27日發(fā)射THAICOM8通信衛(wèi)星后落船成功，隨后雖然有一次垂直降落時(shí)燃料耗盡砸到甲板的事故，但也有CRS-9任信衛(wèi)星發(fā)射，只計(jì)算同步軌道發(fā)射任務(wù)也有75%的成功率。

火箭復(fù)用期待修成正果

按照太空探索技術(shù)公司的路線圖，接下來(lái)將使用回收的一級(jí)火箭配合新的第二級(jí)進(jìn)行商業(yè)發(fā)射。去年回收的一枚舊火箭已被粉刷一新，并完成了相關(guān)測(cè)試工作，計(jì)劃在3月初重新進(jìn)入太空，創(chuàng)造歷史。此外今年的重型“獵鷹”火箭的兩個(gè)助推器，也將直接使用回收復(fù)用的“獵鷹”9號(hào)也不太美妙。2016年3月肖特維爾曾表示通過(guò)復(fù)用第一級(jí)，“獵鷹”9號(hào)火箭發(fā)射報(bào)價(jià)有望降低30%，或者說(shuō)6100萬(wàn)美元的發(fā)射報(bào)價(jià)有望降低到4300萬(wàn)美元。同年10月肖特維爾調(diào)低了預(yù)期，表示復(fù)用后降價(jià)幅度只有10%。太空探索技術(shù)公司曾對(duì)訂購(gòu)兩枚或多枚火箭的客戶(hù)提供大致相仿的打折，對(duì)比之下火箭復(fù)用第一級(jí)后的報(bào)價(jià)吸引力實(shí)在有限。航天愛(ài)好者們期待將發(fā)射成本降低為現(xiàn)在幾分之一甚至幾十分之一，就更是遙遙無(wú)期的夢(mèng)想了。務(wù)和JCSat-16任務(wù)的連續(xù)著陸成功。2016年3月太空探索技術(shù)公司總裁肖特維爾曾謹(jǐn)慎地表示，“獵鷹”9號(hào)火箭發(fā)射近地軌道任務(wù)的一級(jí)著陸成功率為75%到80%，而同步軌道任務(wù)的著陸成功率為50%到60%。那時(shí)太空探索技術(shù)公司只有2015年底的一次成功著陸經(jīng)驗(yàn)，但從事后的實(shí)際結(jié)果看，“獵鷹”9號(hào)火箭著陸成功率遠(yuǎn)好于預(yù)期，從2016年4月到2017年1月的7次任務(wù)中只有1次失敗，而這7次任務(wù)中有4次是通火箭第一級(jí)。如果一級(jí)火箭的重復(fù)使用獲得成功，這將是人類(lèi)可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。

未來(lái)的重型“獵鷹”火箭的助推器將來(lái)自回收的第一級(jí)

太空探索技術(shù)公司總裁肖特維爾

盡管如此，太空探索技術(shù)公司通過(guò)重復(fù)使用大幅度降低發(fā)射成本的道路仍有很大的不確定性。其實(shí)這并不新鮮，航天飛機(jī)早在1981年就做到了部分重復(fù)使用，但發(fā)射成本并沒(méi)有降低，反而比一次性火箭更貴?！矮C鷹”9號(hào)火箭得益于明智的技術(shù)發(fā)展路線，倒是沒(méi)有航天飛機(jī)那樣發(fā)射價(jià)格不減反升的苦惱，但現(xiàn)在來(lái)看預(yù)期

綜上所述，太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”9號(hào)火箭為重復(fù)使用做了大量艱苦卓絕的開(kāi)創(chuàng)性工作，并在技術(shù)和工程上取得了巨大的成功，現(xiàn)在只剩下復(fù)用火箭的實(shí)際發(fā)射了。火箭復(fù)用技術(shù)上的成功可喜可賀，單是未來(lái)復(fù)用運(yùn)作流程成熟后，是否能進(jìn)一步降低成本，例如比一次性火箭降價(jià)30%甚至更多，還有待驗(yàn)證。只有真正做到廉價(jià)進(jìn)入太空，太空探索技術(shù)公司在“獵鷹”火箭復(fù)用上的探索才能說(shuō)是修成正果?！?/p>