文/ 土星5號(hào)

▲ 通過長(zhǎng)曝光鏡頭拍攝到的“獵鷹9”第一級(jí)回收兩次點(diǎn)火

不管是不是航天界的愛好者，現(xiàn)在幾乎每個(gè)人都知道太空探索技術(shù)公司（以下簡(jiǎn)稱SpaceX公司）。然而在16年前的2002年5月6日，當(dāng)一個(gè)叫做“太空探索技術(shù)公司”的企業(yè)在加利福尼亞埃爾塞貢多市的一座倉(cāng)庫(kù)里成立時(shí)，恐怕兩位創(chuàng)始人馬斯克和穆勒都不會(huì)想到在16年后的今天會(huì)有如此高的知名度，更不會(huì)想到太空探索技術(shù)公司會(huì)徹底改變商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)格局。在美國(guó)人的語(yǔ)言習(xí)慣中，如果一項(xiàng)技術(shù)太復(fù)雜，常會(huì)以rocket science（火箭科技）來指代，因而當(dāng)太空探索技術(shù)公司作為私人航天公司，宣稱目標(biāo)在于降低太空運(yùn)輸成本以讓火星殖民成為可能時(shí)，絕大多數(shù)人都認(rèn)為馬斯克是在妄想。哪怕在專業(yè)航天人士眼里，太空探索技術(shù)公司作為私人企業(yè)，試圖把大都在科幻片中出現(xiàn)的目標(biāo)帶入現(xiàn)實(shí)，未免過于牽強(qiáng)。太空探索技術(shù)公司的“黑科技之路”，便在一片質(zhì)疑聲中邁出了走向太空的第一步。

與眾不同的航天發(fā)射公司

盡管SpaceX公司常被冠以“商業(yè)航天公司”的稱號(hào)，但和其他幾乎所有的商業(yè)發(fā)射公司不同，SpaceX公司迄今為止都不是控股制，也就是說沒有什么SpaceX公司股票可買，SpaceX公司也沒有股東，公司運(yùn)轉(zhuǎn)資金完全來自火箭發(fā)射收入和政府的研發(fā)扶持。按照馬斯克的想法，SpaceX公司和他的另一個(gè)公司特斯拉電機(jī)不同，最根本的目的不在于賺錢而在于殖民火星，開創(chuàng)火星文明。因此現(xiàn)階段尚處在研發(fā)路上的SpaceX公司不能被追求經(jīng)濟(jì)利益的股東所糾纏，若要轉(zhuǎn)為控股制，必須要等到公司已經(jīng)具備定期發(fā)射往返地球火星飛船的能力時(shí)。這在16年前看似不現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在依然看似很遙遠(yuǎn)的最終目標(biāo)，卻正是維持著SpaceX公司6000余名員工的核心理念。

經(jīng)濟(jì)學(xué)上常說若一個(gè)物品的價(jià)格降低，則購(gòu)買使用此物品的人數(shù)會(huì)增加，因此價(jià)格通常和消費(fèi)量成反比。同理若要把足夠的人員和物資送往火星完成殖民，必須要降低向太空發(fā)射物資的價(jià)格，而這正是過去16年SpaceX公司所有“黑科技”的一致努力目標(biāo)。為何SpaceX公司的發(fā)射報(bào)價(jià)總能低于其他發(fā)射公司？很多的答案認(rèn)為SpaceX公司通過回收第一級(jí)火箭的“黑科技”來降低發(fā)射成本，其實(shí)這個(gè)回答并非完全正確。從衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量便能看出，早在2015年回收成功之前SpaceX公司的發(fā)射量便已在飛速增長(zhǎng)，回收成功的2015年太空探索技術(shù)公司占發(fā)射市場(chǎng)份額還因CRS-7的事故略低于2014年?；厥盏谝患?jí)毫無(wú)疑問會(huì)進(jìn)一步降低發(fā)射成本，但這并非SpaceX公司大幅度降低發(fā)射價(jià)格，并打贏航天發(fā)射價(jià)格戰(zhàn)的根本原因。在SpaceX公司創(chuàng)下的諸多“黑科技”中，很少有人注意到還有一項(xiàng)商業(yè)上的“黑科技”，那便是一個(gè)幾乎沒有任何外在承包商的航天發(fā)射公司。

▲ 太空探索技術(shù)公司商業(yè)計(jì)劃

▲ 從自帶創(chuàng)業(yè)“氣場(chǎng)”的加州倉(cāng)庫(kù)起步，紅箭頭所指的這個(gè)看上去像忘記吃藥的31歲青年人就是spaceX公司創(chuàng)始人兼CEO艾隆·馬斯克

獵鷹9火箭除去發(fā)射的載荷外，箭體、整流罩、引擎以及火箭發(fā)射全部由SpaceX公司自行研發(fā)完成，整套從研發(fā)到制造再到發(fā)射的流程中沒有任何一位外在承包商。高度的垂直整合夸張到公司發(fā)射部門和工廠不僅都位于加利福尼亞的霍桑市，還都在同一屋檐下，透過發(fā)射部門控制中心的落地窗甚至可以直接看到旁邊工廠正在生產(chǎn)的火箭箭體。換句話說SpaceX公司擁有火箭發(fā)射流程所需的全部科技、設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、整合、遙測(cè)等一應(yīng)俱全，不難想像這一路走來全管齊下需要克服多少困難。

如此夸張的高度整合才是SpaceX公司打贏價(jià)格戰(zhàn)的真正法寶。而以阿里安-5和宇宙神-5火箭為例，阿里安-5發(fā)射公司為阿里安空間公司，但箭體制造方為空中客車公司國(guó)防和太空部，核心級(jí)火神引擎則由斯奈克瑪公司研發(fā)制造，而“宇宙神-5”的箭體制造和發(fā)射公司均為聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA），但核心級(jí)RD-180引擎購(gòu)自動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體（NPO Energomash）和普惠公司組成的合資公司，上面級(jí)RL-10引擎和AJ-60A固體燃料推進(jìn)器則購(gòu)自普惠旗下的洛克達(dá)因公司。由于每一個(gè)外在承包商都是相對(duì)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的公司，都需要利潤(rùn)來養(yǎng)活員工，因此產(chǎn)品售價(jià)都會(huì)一定程度上高于成本，而每一個(gè)承包商的加價(jià)都會(huì)最終匯總由客戶買單。如果把其他航天發(fā)射公司比作零售商，SpaceX公司則是徹徹底底的批發(fā)商，沒有加價(jià)，最終轉(zhuǎn)嫁到購(gòu)買者頭上的發(fā)射價(jià)格自然會(huì)大幅度降低。

高度的垂直整合不僅讓SpaceX公司的火箭制造和發(fā)射得以同時(shí)進(jìn)行，還可把第一級(jí)回收時(shí)獲得的大量數(shù)據(jù)快速反饋給工程研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完善回收的具體細(xì)節(jié)，也因此SpaceX公司對(duì)獵鷹9號(hào)火箭的完善不可謂不快。比如針對(duì)第一級(jí)在發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道載荷返回時(shí)空氣摩擦產(chǎn)生的高熱量和高燃料消耗，研發(fā)中的獵鷹9號(hào)Block 5將使用隔熱層保護(hù)引擎和箭體，使用更耐熱的鈦合金柵欄翼，以及優(yōu)化箭體飛行控制系統(tǒng)以優(yōu)化第一級(jí)返回時(shí)的攻角，讓箭體自身產(chǎn)生更多升力以降低減速燃料消耗。鈦合金柵欄翼在2017年6月25日發(fā)射回收時(shí)便以完成首次測(cè)試，而這距離首次成功回收第一級(jí)箭體僅過去了18個(gè)月，很難以想像這是總雇員不到萬(wàn)人的公司的辦事效率。

▲ 可看到新款鈦合金柵欄翼使用后幾乎沒有燒灼痕跡

僅此一家的回收方式

新鈦合金柵欄翼設(shè)計(jì)上更為簡(jiǎn)潔且更耐用，本質(zhì)上還是為了達(dá)成馬斯克所說的獵鷹9號(hào)火箭第一級(jí)可在返回后稍加修整，24個(gè)小時(shí)內(nèi)再次起飛的目標(biāo)?？焖僦貜?fù)使用回收的第一級(jí)火箭，是太空探索技術(shù)公司認(rèn)為達(dá)成最終殖民火星的關(guān)鍵。而完成重復(fù)使用的核心，便是“獵鷹9”獨(dú)特的“黑科技”——科幻味十足的垂直降落設(shè)計(jì)。由于美國(guó)所有火箭發(fā)射場(chǎng)均建在海邊，第一級(jí)火箭熄火分離時(shí)便已在海上，而液體燃料引擎若重復(fù)使用必須要避免被鹽腐蝕，因而不能接觸海水。綜上所述回收的獵鷹9火箭只能掉頭“飛”回陸地或者順飛行彈道降落在駁船上，兩者均需要對(duì)飛行方向和箭體方位進(jìn)行精確控制，柵欄翼因此誕生。

▲ 新舊柵欄翼對(duì)比

在飛行裝置上柵欄翼的使用其實(shí)并不鮮見，蘇聯(lián)的R-77空空導(dǎo)彈，美國(guó)的“炸彈之母”自由落體炸彈都使用柵欄翼來完成精確制導(dǎo)。和傳統(tǒng)實(shí)體的氣流控制翼面不同，柵欄翼在氣流速度越快時(shí)產(chǎn)生阻力越小，因而控制力越弱。在高空高速時(shí)稀薄的超音速氣流會(huì)直接從柵欄翼的空隙中穿過，降低柵欄翼對(duì)氣流方向的控制力。反而低空低速時(shí)稠密的跨音速或亞音速氣流會(huì)在穿過柵欄翼后形成亂流，提高柵欄翼整體翼面對(duì)氣流方向的控制力，進(jìn)而方便控制箭體的飛行方向。排除發(fā)射場(chǎng)的限制因素導(dǎo)致“獵鷹9”需要使用柵欄翼來完成精確降落，其降落方式其實(shí)和降落火星，這個(gè)太空探索技術(shù)公司必須要完成的任務(wù)有著異曲同工之妙，某種意義上來說“獵鷹9”第一級(jí)的回收是對(duì)完成殖民火星的最終目標(biāo)進(jìn)行先期的技術(shù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累。

▲ 由簡(jiǎn)單的落地窗隔開的發(fā)射控制中心和火箭工廠

“獵鷹9”第一級(jí)火箭的降落可整體分為兩個(gè)部分，再入點(diǎn)火和降落點(diǎn)火。根據(jù)載荷的不同，第一級(jí)在分離后的速度大約在2000米/秒到2500米/秒的高超音速階段。第一級(jí)箭體首先通過反推力系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)使引擎噴口朝向地表，在重力的作用下箭體逐漸加速下落。70余千米的高空大氣稀薄，高速空氣阻力對(duì)箭體造成的影響并不大，但若保持高超音速進(jìn)入稠密的低層大氣，箭體會(huì)被劇烈的空氣摩擦所燒毀。此時(shí)“獵鷹9”重新啟動(dòng)引擎進(jìn)行大約20秒的再入點(diǎn)火，目標(biāo)在大約40千米的高度時(shí)將“獵鷹9”減速到1800米/秒（海上降落）或800米/秒（陸地降落）左右的超音速。進(jìn)入低空大氣后柵欄翼將箭體保持在一定角度的和垂直的傾斜，以便滑翔對(duì)準(zhǔn)降落地點(diǎn)的同時(shí)，增大箭體迎風(fēng)面來提升箭體自身升力，稠密的大氣會(huì)完成剩余的跨音速減速工作并將箭體降到終端速度。最終柵欄翼讓箭體對(duì)準(zhǔn)降落地點(diǎn)后，在降落前幾秒將箭體重新改為垂直，此時(shí)箭體中央的引擎再次降落點(diǎn)火，將整個(gè)“獵鷹9”的第一級(jí)逐漸減速到0米/秒，緩慢地降落到地面或駁船上。

若不看第二部分低空的降落點(diǎn)火而只看第一部分高空的再入點(diǎn)火，便會(huì)發(fā)現(xiàn)這和火星地表降落及其相似?；鹦堑乇泶髿鈮簽榈厍蚝Ｆ矫娲髿鈮旱?.6%，稀薄的大氣使降落器無(wú)法只依賴降落傘產(chǎn)生的空氣阻力減速，必須要使用其他手段才能安全降落?，F(xiàn)階段已知的唯一一種能精確控制降落地點(diǎn)的方法，便是在降落時(shí)用火箭逆向噴射減速?！矮C鷹9”第一級(jí)再入點(diǎn)火均在40-70千米的區(qū)間內(nèi)，此高度大氣壓大約為海平面的0.1%，恰巧是火星高空的大氣壓，同時(shí)第一級(jí)火箭大約8馬赫的高超音速又恰好是進(jìn)入火星高空大氣時(shí)的速度。如此高的相似度不僅讓太空探索技術(shù)公司有了實(shí)際高超音速逆向噴射數(shù)據(jù)，就連美國(guó)宇航局都開始通過“獵鷹9”第一級(jí)的紅外攝影來研究超音速反推時(shí)的氣流狀況，以完善火星降落逆向噴射的模型。由于描述氣體等流體的納維-斯托克斯方程沒有常規(guī)解，逆向推進(jìn)的具體氣流情況只能通過風(fēng)洞模擬來實(shí)現(xiàn)，“獵鷹9”第一級(jí)提供的實(shí)際數(shù)據(jù)重要性不言而喻。

▲ 在美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)上發(fā)布的“獵鷹9”超音速反向推進(jìn)的圖

太空探索技術(shù)公司自16年前創(chuàng)立開始便是在許多人眼里很牽強(qiáng)的公司。然而太空探索技術(shù)公司通過清晰的目標(biāo)和不懈的努力，一次又一次通過“黑科技”實(shí)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)承諾。現(xiàn)在可回收重復(fù)使用的火箭和高度整合的公司，讓太空探索技術(shù)公司開始著手火星殖民的下一個(gè)步驟。要殖民火星則先需要能把飛船送往火星的火箭，以及證明太空探索技術(shù)公司能把人類安全送入太空并接回來，于是乎通過并聯(lián)三個(gè)“獵鷹9”第一級(jí)的獵鷹重型火箭和載人飛船龍2誕生。2018年2月7日太空探索技術(shù)公司通過成功首射獵鷹重型火箭成為擁有現(xiàn)役運(yùn)力最大的火箭公司，并將在不久會(huì)成為第一個(gè)將航天員送入太空的私營(yíng)航天企業(yè)。不過恐怕太空探索技術(shù)公司的每一個(gè)員工都清楚，這次離開近地軌道踏入深空的一步，需要更科幻的“黑科技”來克服更大更多的挑戰(zhàn)。