□ 田豐

“二手火箭”起飛：一次普通而又不普通的發(fā)射

□ 田豐

這是一次“普通”的發(fā)射，由太空探索公司的“獵鷹”9運載火箭為盧森堡SES公司發(fā)射一顆重5.28噸的SES-10通信衛(wèi)星，衛(wèi)星具有50個Ku轉(zhuǎn)發(fā)器，沒有任何看起來值得一書的地方。但這又是一次極不普通的發(fā)射，一次有可能改變?nèi)祟惡教旃I(yè)未來發(fā)展方向的發(fā)射，因為這次發(fā)射中的“獵鷹”9火箭一級是一枚已經(jīng)發(fā)射過的“二手火箭”。這枚史無前例的“二手火箭”不僅又一次圓滿完成了自己的發(fā)射任務，而且又一次準確飛回了距發(fā)射臺300千米外的海上回收平臺。

復用一枚可進行入軌發(fā)射的液體運載火箭，堪稱人類航天史前所未有的一次嘗試，因為幾乎所有的液體運載火箭都是一次性的。無論是將人類送上月球的“土星5號”運載火箭還是蘇聯(lián)的“能源”運載火箭，這些龐然大物一旦在發(fā)射完成后都會變成一堆廢鐵從天而降，再也不能使用。相對于日常生活中汽車和飛機等可重復使用的交通工具而言，多級運載火箭的一次性使用可謂相當另類，這直接導致了人類進入太空成本居高不下，而像科幻電影中所描述的航班化往返于天地間更近乎是癡人說夢。

于是很多航天人設想火箭在發(fā)射后能利用富余燃料受控回收，并且重復使用，這樣會不會大幅度降低航天發(fā)射成本，甚至使人類有能力殖民外星球呢？有想法的人很多，但是實踐的人很少，成功的人更是鮮有。

①SES-10衛(wèi)星在廠房

②回收并翻修中的梅林發(fā)動機

③調(diào)試中的回收機器人

④回收機器人CG圖

“二次使用”成現(xiàn)實

眾所周知，太空探索公司在2015年12月22日首次完成了“獵鷹”9火箭一級的陸地回收。4個月后，2016年4月8日，在執(zhí)行第八次國際空間站貨物補給發(fā)射時，火箭一級通過液壓推桿驅(qū)動的冷分離機構與火箭二級順利分離，沿著預先規(guī)劃的回收彈道飛回海面，經(jīng)過三次不同作用的反推后穩(wěn)穩(wěn)著陸在大西洋上的浮動回收平臺。雖然首次海上回收難度更高，但這種模式相對陸地回收所浪費的運力更少，所以前景光明。

在回收完成后，公司便急于為這枚官方編號為021的火箭一級“撮合二婚”，可惜客戶們出于風險和太空探索并不良好的安全記錄，鮮有用戶買賬。直到SES公司提出愿意以五折報價吃這個“螃蟹”，于是這枚回收火箭的再次發(fā)射便被提上日程。公司原定于2016年10月將其重新發(fā)射升空，但是天有不測風云，同年9月1日阿莫斯-6衛(wèi)星任務靜態(tài)點火過程中另一枚新火箭突如其來的驚天一炸，徹底把這個火箭復用的“美夢”擊得粉碎。公司一夜之間再次跌下神壇，各路負面消息一時間充斥媒體。

歷經(jīng)4個多月的事故調(diào)查后，公司于2017年1月14日利用一箭十星的二代銥星任務恢復了“獵鷹”9發(fā)射。而這枚021一級在回收后，經(jīng)過長達一年的漫長的解體、翻修、檢查和測試后，終于迎來了“重裝上陣”的機會！值得一提的是，作為液體運載火箭的核心，這枚二手火箭一級的9臺“梅林-1D”液氧/煤油火箭發(fā)動機均翻修自執(zhí)行2016年4月發(fā)射任務的那9臺，是真正的“二次使用”。

火箭著船瞬間

初心不改的復用之路

太空探索公司創(chuàng)始人馬斯克在2013年接受訪談時，首次公布了垂直起飛、垂直降落思路的回收和復用方案（當時該方案甚至包括火箭二級回收）。意圖創(chuàng)造一款能夠重復使用的火箭，在完成任務后能夠安全返回，僅經(jīng)過快速翻修即可執(zhí)行下一次發(fā)射。這個想法看似美好，但是在冒出這個想法的時候正好是人類第一款可復用航天器——航天飛機退役后不久，也是可復用航天器最絕望的一個時代，任何可復用太空運載系統(tǒng)都有可能被懷疑為一條“邪路”。由此看來，公司對于可復用運載火箭的追求近乎于“執(zhí)念”，但正是這份“執(zhí)拗”才成就了今天的成功。

在此次復用發(fā)射之后，我們必將見到更多的用戶訂購“二手”的，或者說“發(fā)射驗證”過的火箭。尤其是本次發(fā)射的“配角”SES公司已經(jīng)明確表態(tài)將繼續(xù)訂購復用火箭發(fā)射來節(jié)約成本。或許未來二手火箭發(fā)射會像現(xiàn)在的一次性火箭發(fā)射一樣稀松平常。但可回收運載火箭從誕生到最終實用并不是一蹴而就的，個人認為可以分為三個階段：

首先需要證明以“垂直起飛，垂直降落”方式回收火箭是可行的；然后是證明回收火箭的再次發(fā)射從技術上是可行的；最后是證明復用火箭能夠從根本上降低航天發(fā)射的費用，這將是最難、最關鍵也最漫長的一個步驟。

如果說2015年末的陸上回收證明了回收的可行性，那么這次發(fā)射就是第二階段完成的最佳證明。當然最困難的就是第三步，航天飛機就是倒在了第三步上，雖然實現(xiàn)了復用，但成本不降反升，再加上兩次重大事故的打擊，最終只能黯然落幕。因此第三步可能需要五年、十年甚至更久。然而，我們可以看到，太空探索公司依舊在不斷改進和完善自己的可回收火箭，并預計于年內(nèi)推出全新的“獵鷹”9 Block5改型。由于航天飛機的前車之鑒，在這條路上太空探索公司如此孤獨，傳統(tǒng)的發(fā)射承包商無一跟隨，只有杰夫·貝索斯旗下藍色起源公司的亞軌道火箭“新謝潑德”和尚處在紙面階段的“新格倫”火箭采用了類似思路。

目前太空探索公司的“獵鷹”9火箭6200萬美元的公開發(fā)射報價已經(jīng)相當?shù)土?，只有印度和中國可以在報價上與之匹敵。如果未來復用火箭逐漸成熟，報價還將進一步下降。太空探索公司官方表示盡管此次復用發(fā)射的一級火箭經(jīng)過了長達一年的翻修，但仍然比新造一級節(jié)省近50%費用。公司近期將會為復用發(fā)射客戶提供0%～30%的折扣，遠期有可能低至0%～60%。屆時在商業(yè)發(fā)射市場上，太空探索公司將有可能成為價格屠夫，倒逼同行業(yè)公司進行類似的創(chuàng)新。而仍然從事一次性火箭發(fā)射的同行雖然依然能夠生存，但是日子絕對沒有現(xiàn)在那么好過。

人工固定火箭

機庫中的SES-10芯級

折扣、保險和競爭對手

復用火箭不僅對于航天界是一個新生事物，對衛(wèi)星保險行業(yè)而言也是全新的課題。通常商業(yè)衛(wèi)星運營商所投的保險包括在軌運行的第一年。在這之后，低成本政策將覆蓋在軌正常工作的每一年。得益于衛(wèi)星保險行業(yè)的歷史性疲軟，導致保險業(yè)長期處于買方市場階段，太空探索公司雖然仍屬于“業(yè)界新貴”，但發(fā)射的衛(wèi)星保險費率卻并不高，加之只要不發(fā)生重大發(fā)射事故，公司未來每年有望執(zhí)行12次以上的火箭發(fā)射，這個發(fā)射頻率在保險業(yè)絕對是炙手可熱的“大客戶”。因此2015年末才完成最新大改并首飛的“獵鷹”9全推力型火箭的保險費率已經(jīng)和17年沒做過大幅設計變更且安全記錄優(yōu)異的“阿里安”5型火箭基本一致，均不高于6%。

一直以來，太空探索公司都是航天企業(yè)中的“異類”，公司承襲了硅谷IT軟件行業(yè)“小幅改進，快速迭代”的設計思路，公司主力的“獵鷹”9火箭一直都處在不斷的改進當中。曾有保險公司表示愿意為“獵鷹”9火箭承保，但卻抱怨每次任務中太空探索公司都會對火箭進行各種設計變更，使保險公司難以評估這些變更將對發(fā)射安全造成哪些影響。

由于復用火箭潛在提升了任務失敗的概率，復用發(fā)射的保費費率如何確定，是太空探索公司和保險業(yè)需共同面對的課題。然而針對SES-10這次發(fā)射而言，憑借著盧森堡SES公司的良好“口碑”擔保，此次發(fā)射保險費率與以往新火箭一致。但這僅僅是首次復用發(fā)射，未來多次復用火箭的保險費率會不會有所上浮，費率上升是否會導致火箭發(fā)射報價的變動，目前仍是未知。

但是，太空探索公司已表示未來有意徹底取消一次性發(fā)射任務，所有“獵鷹”9發(fā)射都將包括在可回收運力范圍內(nèi)（目前地球同步轉(zhuǎn)移軌道載荷發(fā)射的海上回收運力極限是5.5噸左右），而超出該范圍的載荷將采用運力更強的重型獵鷹火箭執(zhí)飛，而重型獵鷹火箭也將進行回收和復用。也就是說，未來復用火箭發(fā)射在公司業(yè)務中的占比將越來越高。有趣的是，財大氣粗的美國空軍之前曾表示無意采用復用火箭發(fā)射軍用載荷，但在此次復用發(fā)射成功后不久就改口表示有意在未來考慮訂購更具“性價比”的復用火箭，看來“省錢”是所有客戶一致的追求。復用火箭雖然看似前途光明，但已有的試驗已經(jīng)暴露出了不少亟待改進的問題。因此回收和復用流程免不了持續(xù)改進，未來的復用之路更是道阻且長。

回收過程中被氣動加熱變紅的格柵舵

箭體的OctaWeb承力結構

持續(xù)改進和完全復用

作為火箭回收領域的探路者，太空探索公司仍在不斷摸索和改進整個回收體系，發(fā)射前就有媒體曝光了公司正在調(diào)試的“火箭回收機器人”。這款機器人的實際作用是代替以往的危險而又笨拙的回收箭體固定方式，提供一種快速的箭體固定模式，防止火箭因為甲板的橫縱搖動而滑落海中。

在以往的“獵鷹”9發(fā)射中，一旦火箭平穩(wěn)降落，在另一艘工作船上的工作人員就需要冒險登上回收駁船手動安裝四個固定結構，然后將固定結構就地焊接在甲板上，這時火箭才與駁船可靠連接，可以承受返航過程中所面臨的風浪。

而有了這款機器人之后，只需要將機器人安放在回收平臺可傾轉(zhuǎn)的擋焰板后方。然后與以往一樣，火箭照常發(fā)射并降落至平臺上。在火箭著陸穩(wěn)定后，機器人從擋焰板后方移動出來，在工作人員遙控下開始向火箭正下方移動。四只機械臂對準箭體結構上的吊耳并進行連接，之后機器人會進一步吸附在甲板上，從而間接使火箭固定在甲板上。

它的出現(xiàn)大幅度縮短了箭體著陸到箭體固定之間的時間間隔；省卻了焊接操作，降低了對駁船甲板的損傷；也減少了駁船維護和裝卸的工作量；提高了回收的安全性，甚至有可能免去工人登上回收駁船的步驟。

這款機器人雖然算不上什么顛覆性的發(fā)明，最多不過是為回收工作錦上添花，但是要知道，首次海上回收成功距今僅僅不到一年，太空探索公司已經(jīng)基本摸清了海上回收的流程，不僅逐步改進了回收平臺，還需要進一步優(yōu)化裝卸流程，所以這款機器人應運而生。雖然該機器人正式投入使用還要假以時日，但其作用不容小覷。

當然改進不僅限于回收平臺，火箭本身的改進更是關鍵。由于鋁制格柵舵在回收過程中與大氣劇烈摩擦發(fā)熱，并受到嚴重的氣流沖蝕而受損，難以多次使用，格柵舵未來將被替換為鈦合金材質(zhì)。雖然重量和成本上有所上升，但是隨著復用次數(shù)的增加，長期來看還是會節(jié)省成本并減少翻修工作量的。

此外太空探索公司還在嘗試整流罩回收，但公司對于具體的回收方案諱莫如深，只能從發(fā)言人的只言片語中管窺一二。而此次發(fā)射中就秘密進行了整流罩回收試驗，但結果似乎并不成功，不僅只成功回收了兩片整流罩中的一片，而且根據(jù)照片顯示回收的整流罩已經(jīng)破損。不過考慮到官方公布的整流罩500萬美元的成本，如果未來整流罩回收并復用成功，所帶來的成本下降同樣不容小覷。

除此之外，太空探索公司不再滿足于回收火箭一級，還要在重型獵鷹火箭的首次發(fā)射中嘗試回收二級，由于二級在發(fā)射中一般都已經(jīng)入軌，回收需要再入大氣層，消耗大量燃料。此外二級一直都是一次性設計，雖然回收方案尚未公布，但肯定需要加裝熱盾和氣動翼面，這樣又會增重。短期來看即使回收成功，從費效比角度也并不劃算，因此更多是利用重型獵鷹火箭富余運力進行的一次技術演示。

隨著公司未來整流罩回收的實現(xiàn)和“獵鷹”9的最新復用改型Block5的推出，“獵鷹”9的回收從物料成本上無疑是節(jié)省的，畢竟回收了整枚火箭90%的梅林發(fā)動機和大部分箭體。但是考慮到目前公司宣稱的4個月的翻修周期和零部件解體、更換、測試的額外成本，以及多次復用后有可能帶來的保險費率上升，目前現(xiàn)有的回收體系究竟能不能在數(shù)次復用后依舊能保證火箭可靠，能不能降低發(fā)射服務的費用，究竟能降低多少發(fā)射服務的費用，仍然未知。不過即使多年以后，復用火箭如航天飛機一樣證明并不經(jīng)濟，但太空探索公司的努力至少為我們又指出了一條“死胡同”。從這個角度來講，也算得上是大功一件了。

火箭返回CG圖