42
| 本文作者： 毛新愿 | 2015-12-24 14:09 |
【編者按】本文作者毛新愿，荷蘭代爾夫特理工大學航天工程專業博士，主攻低軌衛星定軌，北斗/GPS
12月22日，一個震撼世人的消息很快傳遍了世界各地：美國SpaceX公司的獵鷹9號火箭，在運送Orbcomm公司11顆通訊衛星進入軌道后，地面成功回收了返回的一級火箭，創造了人類太空史上當之無愧的第一。（可參考雷鋒網消息：SpaceX火箭發射回收成功，又一次創造了航天史奇跡）
從下圖中可以看到這次發射任務火箭軌跡震撼的延時攝影。
（來自SpaceX官網）
這與2015年11月24日美國藍色起源公司（Blue Origin）進行的New Shepard火箭回收實驗形成了鮮明的對比，下圖展示了兩次回收的軌跡巨大區別。相比而言，獵鷹九號實現了一次標準的入軌軌跡，一級火箭在將剩余部分火箭送入既定位置后繼續返回，返回高度已經超過200千米，飛行水平距離約95千米，而且剩余火箭成功完成了11顆衛星的發射任務，可謂是個讓人極其信服的實驗，相較之下藍色起源的New Shepard還處在初級驗證階段。
（圖片來自Jon Ross所在的ZLSA工作室）
關于SpaceX這個公司和他老板伊隆·馬斯克（Elon Musk）的傳奇經歷，下篇文章再談，本次先為大家回顧下獵鷹九號火箭的成功歷程。
由于技術復雜，沒有工業化批量生產，火箭的制造與發射一直是個極其昂貴的過程，動輒上億乃至數億美元。為了航天發射節省成本，上世紀美國和蘇聯在太空競賽的背景下提出了利用可回收的優勢發展航天飛機，然而事實證明由于系統過于復雜、再利用成本極其高昂，航天飛機成為一個失敗的科研項目：美國航天飛機平均的發射費用達到了瞠目結舌的15億美元，加上挑戰者號和哥倫比亞號的失敗，直接導致項目下馬。而蘇聯人做的暴風雪號，則完全沒有投入實際使用就宣告退役。這種背景下，重復回收火箭被人重新提出。
因為從理論上講，火箭的發射成本里面，燃料的費用非常低。以獵鷹九號為例，單次發射費用為5400萬美元，但燃料費只有20萬美元，所以如果能回收單看數據自然大大降低了成本。
雖然由于系統設計難度增加、冗余及備份、犧牲發射效率（火箭內還要留有燃料）、無法預測的發動機翻新費用等系列缺點，但沒有人敢斷言在未來技術成熟和火箭發射頻率要求提升的背景下，這是個會多有前景的黑科技。
于是乎，各個航天大國的火箭回收項目又看到了曙光，由于火箭絕大部分成本都在一級（比如獵鷹九號一級帶有9個發動機，二級只有1個），也從可行性方面考慮（二級及以上飛行距離過遠過高回收幾乎不可能），所有的火箭回收都針對一級火箭。但目前各國尤其是美國的航天科研重心并不在于此，這讓背景為民營的SpaceX有了自己的科研空間。但要記住，航天永遠是國之重器，SpaceX研究的火箭回收技術，只是美國宇航局出讓出去的很小一部分而已。
說到這里，先簡單回顧下SpaceX的成立。
SpaceX是一家民營的私人航天公司，是的，你沒有看錯，剛開始這并不是政府重點扶持立項的企業。伊隆·馬斯克是個超級天才，12歲已經在賣自己開發的商業軟件，30歲不到已經兩次創業成功賺到了第一桶金。他在2002年創立了SpaceX，4年后正式注資了一億美元（他一個人持有整個公司三分之二的股份，標準的私人公司），然后便開始了他的航天之路。在逐漸獲得成功之后，拿到了美國宇航局的合同和技術支持，才真正踏上了飛天之路。
（圖片來自SpaceX官網）
火箭發動機的制造
SpaceX的火箭發動機制造技術可謂是看家本領，短短數年間就開發出了Merlin、Kestrel、Raptor、Draco和SuperDraco幾個系列火箭發動機。從煤油、甲烷到自燃類引擎幾大系列，可謂是一個非常豐富的家族了，但一個Merlin系列就包含了六種版本，在這方面完全達到了航天大國水準。獵鷹九號上的一級火箭，則由9個捆綁的Merlin Vacuum (1D)型發動機構成，整個系統采用了非常先進的系統冗余和容錯設計，可以在兩枚發動機失效的情況下完成正常發射入軌任務，這也是SpaceX的殺手锏技術，前無古人。
（圖片來自SpaceX官網）
可回收火箭及其返回的跳躍實驗
有了系列發動機，SpaceX最早做出了蚱蜢(Grasshopper)系列火箭。
正如其名，這些試驗機基本上采用“跳躍”的方式發射，然后關閉發動機系統讓火箭下落，以進行垂直狀態下的火箭控制與回收。從2012年9月到2013年10月，前后進行了8次試驗，從最早的點火三秒高度1.8米，到點火80秒高度超過500米并有了橫向機動，SpaceX獲得了一系列重要試驗數據，為未來成功奠定了重要基礎。在這個過程中，他們已經從前期資金投入逐漸變為美國宇航局資助。
（圖片來自SpaceX官網）
火箭整體實驗
在蚱蜢火箭測試之前，SpaceX的獵鷹九號火箭已經開始了實際發射任務，從最早的2010年6月4日為國際空間站發射龍飛船(貨運)，到最近的本次發射，已經實現了20次火箭發射任務，嚴格意義說只有一次失敗(另一次有一半載荷沒能成功入軌)，但基本說明火箭整體技術已經日趨完善。而在火箭一級回收方面，作為8次蚱蜢火箭實驗的延續，SpaceX在2014年進行了4次近地火箭整體實驗，高度在1000米左右，但最后一次不幸失敗，失之毫厘謬以千里，一個小小零件的故障導致了失敗。
實際發射任務——海上回收
在實際發射任務中，SpaceX也進行了幾次一級火箭在分離后的返回試驗，這就是大家比較熟悉的海上平臺回收。然而并非一切順利，總共三次試驗：
第一次（2015年1月）單純為了測試讓火箭直接掉到了海里；
第二次（2015年4月）使用了海上平臺但火箭直接傾覆后爆炸在平臺上；
第三次（2015年6月）直接在空中爆炸。
（2015年4月官方回收視頻截圖）
陸地回收最終成功
經過了眾多失敗，SpaceX決定采用陸地回收的策略并終于在12月22日迎來了首次成功，一系列投入終于換回了讓人欣慰的回報。
火箭采取了垂直回收的方式，降落過程中逐漸導航至下降通道，最后落地前火箭發動機將相對速度降為接近0的狀態，采取四個支架平穩著陸。
在回收視頻中可以看到，現場由于火箭噴射氣流產生了巨大的音爆，所有人剛開始都認為閃光中的火箭回收失敗了，但后來火焰熄滅看到火箭平穩立住的那一刻，全場爆發了無盡的歡呼聲。觀看視頻時看到那些現場觀眾瘋狂的表情，讓人真正發自內心為他們對人類航天事業的巨大貢獻而自豪，這一天，一個新的時代，向我們張開了大門！
（回收時落地的畫面，來自SpaceX官網）
是否能真正降低成本，值得商榷和進一步觀察：
a、為了回收，要增加額外的各種控制和導航空間，導致火箭的設計難度大大提高；
b、火箭為了保全，需要留下不少燃料作為后續的“剎車”減速。這對整個推進系統的設計尤其是燃料推送系統的要求極高，要增加很多冗余設計，風險較大；
c、火箭發射一個重要指標就是推重比，相當于有效載荷(衛星或飛船)所占比例越高越好，但如果考慮回收，相當于額外的一些燃料和系統設計會占掉有效載荷的空間，導致發射效率降低。或者是為了達到同樣的發射能力，需要更大的火箭設計；
d、類似航天飛機，回收過后的維護尤其對一級發動機的維護，恐怕成本不亞于直接換一個新的；
e、節約成本從本質上講是當發射頻率達到一定數量之后才有意義，比如歐洲，一年恐怕就發射個位數的火箭，就算用可回收火箭，使用頻率不夠，也會使運營與維護成本占火箭發射總費用的比例極大增加。
從這些方面說，在目前這個技術程度和航天發射需求下，SpaceX的火箭回收技術難以很大程度節約成本，或者只是成本略微降低而已。
但這畢竟是人類航天史上一次劃時代的成功，意義遠遠不止火箭成功回收這一技術上的勝利。SpaceX和之前藍色起源的成功，讓世間第一次意識到航天不再是一種遙不可及的領域。
這個意義就好比，當初歐洲人航海，最早都是舉全國之力，送出兩三艘船，百年之內便發現了美洲、環游了全世界。但突然間，人類發現航海技術不再遙不可及，造船公司、航運公司成為了現實，人們可以買票做出一百多年前開拓者做出的創舉。五月花號上的人，坐在船上，已然沒有了當時開拓者們害怕的那種心境，他們只是買了在正常不過的船票，航海已經成為人類開拓新世界的工具，不再神秘。
航天亦是如此，剛發展了不過70年時間，如今已經從國之重器、國之大業，慢慢走向了商業化、產業化，一個私人公司竟然能實現如此不可思議的成就，未來的航天將會更加普及，成本將會更加低廉，可靠性將會更加令人信服。航海用幾百年普及下來，航天可能100年內即可實現，未來這些商業公司的航天，將會成為人類進入太空開發太空的一艘艘“五月花”號。這種意義上的貢獻，是要遠遠超過SpaceX做出的任何一個產品的。
向伊隆·馬斯克致敬！
向SpaceX的耀眼成功致敬！
向所有推動人類航天事業的航天人們致敬！
推薦閱讀：
1、硬創007｜解密 Elon Musk 的創業人生和他彪悍的思維模式
2、與終結者對抗，鋼鐵俠馬斯克10億美金打造的Open AI究竟是什么？
雷峰網原創文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。
