文｜觀察未來科技
當前，太空旅行正在升溫。亞馬遜的杰夫·貝佐斯（Jeff Bezos），維珍的理查德·布蘭森（Richard Branson），以及特斯拉的伊隆·馬斯克（Elon Musk）都成立了自己的太空旅游公司。這些私人公司正在努力創(chuàng)造一種新的太空旅行商業(yè)模式。馬斯克甚至在英國倫敦皇家航空學(xué)學(xué)會演講放言，在未來15年到20年，美國SpaceX公司計劃將8萬名地球人送往火星殖民。
理想是美好的，但目前來看，卻離人們的生活依舊遙遠，一張?zhí)盏拈T票就要高達5500萬美元。并且，如果不能找到比較經(jīng)濟的方式從地球到達火星，人類在火星上定居也將無法實現(xiàn)。高昂的成本是比火星上空氣缺乏、水源不明確等環(huán)境阻礙還要艱難的問題。而解決這一難題的關(guān)鍵之一，就是運載火箭。
如何打破太空旅游的昂貴？
運載火箭，就是能夠?qū)⑷嗽煨l(wèi)星、載人飛船、空間站或空間探測器等有效載荷送入預(yù)定軌道的航天運輸工具，由單級或多級火箭組成。
作為進入太空的運載工具，運載火箭是一切太空活動的前提和基礎(chǔ)，也決定著載人航天工程的高度，沒有大推力、高可靠、高安全的運載火箭，載人飛船就不可能進入預(yù)定軌道，航天員的太空活動也無從談起?？梢哉f，運載火箭的能力有多大，太空探索的舞臺就有多大。
而所有太空產(chǎn)業(yè)要能夠?qū)崿F(xiàn)在商業(yè)上有利可圖，或者說整個太空商業(yè)生態(tài)要想形成，都離不開運載火箭發(fā)射服務(wù)成本的降低。
2012年年底，馬斯克在倫敦向英國皇家航空學(xué)院（Royal Aeronautical Society）做了一次演講，主題是火箭科學(xué)技術(shù)。在演講中，馬斯克就重點闡述了馮·布勞恩在1952年提出的可重復(fù)使用的火箭的構(gòu)想，火箭的可重復(fù)利用即使算不上人類實現(xiàn)火星生存的決定性因素，也將是極大改寫太空旅行成本現(xiàn)狀的關(guān)鍵。
馬斯克注意到，發(fā)射一枚“獵鷹9號”火箭的總成本是6 000萬美元，其中只有0.3%是燃料成本，因此他說：“如果‘獵鷹9號’火箭可以重復(fù)使用上千次，那么單次的飛行成本就可以從6 000萬美元降到6萬美元。這顯然將是一個巨大的變化?！北M管“獵鷹9號”還無法承擔哪怕只有一個宇航員的火星旅行任務(wù)，馬斯克卻借此說明了火箭的可重復(fù)利用將會對成本產(chǎn)生的不可思議的影響。如果火箭的可重復(fù)使用性不能實現(xiàn)，馬斯克說：“那我們可能承受不起火星旅行的高昂成本，因為這是將全年國內(nèi)生產(chǎn)總值的100%，還是0.5%投入其中的差別?！?/p>
2011年，在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的一次演講中，貝佐斯也表示，“藍色起源”的目標是壓低太空旅行的成本，并提高技術(shù)的安全性。他說，團隊“努力降低太空旅行的成本，創(chuàng)建一個人類可以親自探索太陽系的未來，隨著時間的推移，緩慢、穩(wěn)健的進展將會戰(zhàn)勝我們所面臨的挑戰(zhàn)”。
傳統(tǒng)運載火箭都是一次性使用運載火箭，發(fā)射服務(wù)成本很高，相當于“乘客”不僅僅要掏燃料費用，還需要買下整發(fā)火箭才能夠完成發(fā)射。如果運載火箭能夠?qū)崿F(xiàn)回收并可重復(fù)使用，那么火箭本身的制造成本就因為可以多次使用被攤薄。其中的原理和航空業(yè)相似：乘客只需要掏燃料費用和維護保養(yǎng)費用，而不需要買下整架飛機。這樣的出行商業(yè)邏輯，會讓發(fā)射服務(wù)的價格大幅降低。
可以說，運載火箭是目前通往太空的唯一入口——但目前，運載火箭依然昂貴、流量很小，輕則千萬，重則上億，這就使得很多太空產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式無法成立，因此，商業(yè)航天突破的關(guān)鍵點，就在于低成本的商業(yè)運載火箭。只有當商業(yè)運載火箭能夠?qū)⑼ㄍ盏牧髁孔龅米銐虼?、足夠便宜，很多太空產(chǎn)業(yè)的商業(yè)邏輯才能成立，太空旅游才會走向普通人。
獨特優(yōu)勢的“獵鷹9號”
運載火箭的突破并沒有讓人們等太久。2015年12月21日，馬斯克創(chuàng)立的SpaceX公司成功地在地面著陸墊上回收了火箭“獵鷹9號”的一級火箭?！矮C鷹9號”的一級火箭是以自動垂直降落、借助可變推力發(fā)動機軟著陸的方式實現(xiàn)回收，在回收應(yīng)用技術(shù)上突破了很多難題。
一方面是著陸點精度高，需要控制在10米內(nèi)。SpaceX通過打造遙控無人船作為浮動的海上火箭降落平臺，在盡量控制火箭回收著陸點的同時，移動海上著陸平臺來配合火箭。另一方面，SpaceX通過使用變推力發(fā)動機，使緩沖發(fā)動機的推力在不同高度能變化調(diào)節(jié)，可以更精確地控制火箭著陸時的姿態(tài)，避免了落地姿態(tài)不正容易倒下而毀壞火箭的問題。同時，“獵鷹9號”火箭體采用了新型復(fù)合材料，在保證較高強度的情況下進一步減輕了重量。
2015年年底的首次成功回收，是人類火箭技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑，也被《麻省理工科技評論》評為2016年十大突破性技術(shù)。
自2016年以來，SpaceX的火箭回收有了更多的成功例子，技術(shù)上也日趨成熟，從2017年1月開始形成了常規(guī)流程。到2018年2月，已經(jīng)成功回收一級火箭17個，其中有6個是已經(jīng)進行過重復(fù)回收的，共計23次重復(fù)著陸回收。隨著連續(xù)多次回收成功，SpaceX開始專注于一級火箭助推器的快速重復(fù)使用。
在2017年和2018年已經(jīng)有11個回收后的一級火箭被重復(fù)使用，證明了火箭二次使用的經(jīng)濟性。第5批次（Block5）的火箭在設(shè)計時就考慮了多次重復(fù)使用，在幾乎不用檢查的情況下最多可以重復(fù)使用10次，在翻新零部件的情況下最多可以使用100次。
可以說，“獵鷹9號”火箭是美國近年來發(fā)射頻度最高的運載火箭，也是全球唯一常態(tài)化重復(fù)使用的運載火箭，各項數(shù)據(jù)不斷刷新紀錄。2021年實現(xiàn)了單一型號年度31次發(fā)射，入軌載荷總重345t，占全球發(fā)射質(zhì)量的53%，平均單次發(fā)射載荷質(zhì)量11.13t。“獵鷹9號”火箭一級回收成為常態(tài)，發(fā)射成功回收已超100次，其中有3枚一級箭體復(fù)用次數(shù)更是達到了13次。
“獵鷹9號”火箭憑借重復(fù)使用技術(shù)有效降低了進入空間成本，增強了其在發(fā)射服務(wù)市場定價的話語權(quán)，LEO軌道和GTO軌道發(fā)射服務(wù)公開報價約合人民幣2.6萬元/千克和7.8萬元/千克，均低于美國同等能力一次性運載火箭。調(diào)研同時發(fā)現(xiàn)，其承擔的軍方和政府的項目平均價格比官網(wǎng)報價高約30%以上，這也反映出軍方和政府對SpaceX公司的潛在支持。
不過，“獵鷹九號”還只有一級能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)使用，二級仍然是一次性的，只能算部分可重復(fù)使用火箭。當前，馬斯克正在推進下一代運載火箭系統(tǒng)的研發(fā)，SpaceX的下一代運輸系統(tǒng)“Starship”（星艦），則是一個一級和二級全面可重復(fù)使用的運輸系統(tǒng)。這將真正意義上實現(xiàn)運載器的各部分全部回收、多次重復(fù)使用，能夠真正實現(xiàn)運載火箭的發(fā)射服務(wù)成本大幅降低。
并且，這個“星艦”的規(guī)模足夠大，起飛推力超過7 000噸，相當于一艘驅(qū)逐艦的排水量，真的可以把一艘驅(qū)逐艦推離地面。所以馬斯克給它起的名字叫“ship”而不是“rocket”。這是人類有史以來最大的運載火箭，比“阿波羅計劃”的“土星五號”運載火箭還要大?！靶桥灐钡耐度胧褂眠€將誕生更大規(guī)模的運輸系統(tǒng)，移民火星也是有可能的。
航天領(lǐng)域的下一代技術(shù)
當然，專注于運載火箭可回收的也并不只是馬斯克SpaceX一家。實際上，在馬斯克的“獵鷹9號”實現(xiàn)回收的同一時期，Amazon創(chuàng)始人貝佐斯也創(chuàng)立了藍色起源太空技術(shù)公司，專注于低軌道太空旅游領(lǐng)域，也是可回收火箭技術(shù)的重要推動者。
從2015年11月到2016年10月，藍色企業(yè)的New Shepard2號火箭已經(jīng)取得了5次成功發(fā)射和再回收。2017年年底，新型的New Shepard3號火箭帶著新的載人艙在大氣層飛到離地面100千米的高度并成功返回；2018年4月底，NewShepard3號火箭再次發(fā)射，并在亞軌道飛行后成功回收。
目前，各航天大國都已經(jīng)加快或即將完成具有重復(fù)使用特征的運載火箭甚至重型運載火箭的研制，支撐本國航天活動向更大規(guī)模、更高頻次、更遠距離發(fā)展。
不過，我國運載火箭重復(fù)使用技術(shù)尚處于攻關(guān)研制階段，距離工程化應(yīng)用仍有較大差距，還需要盡快加大攻關(guān)力度和投入，加快突破以動力、控制等為代表的關(guān)鍵技術(shù)，推進重復(fù)使用的工程化應(yīng)用。
可以預(yù)見，航天領(lǐng)域的下一代技術(shù)的發(fā)展方向就是全面可重復(fù)使用運載火箭的開發(fā)。值得一提的是，運載火箭也逃不開“北極熊”規(guī)律。動物界有個規(guī)律：北方的熊長得比南方的大，全世界體型最大的是北極熊。這背后的原因是，一個物體體積越大，表面積占比越低，這樣北極熊散熱就慢，在寒冷的北方更容易存活下來，于是自然選擇的結(jié)果導(dǎo)致北方剩下的都是大熊。
運載火箭同樣如此，火箭規(guī)模越大，外殼干重所占加滿燃料的火箭重量的比例就越低，火箭的干質(zhì)比（火箭不裝燃料的“干重”與裝滿燃料的“總重”之比，干質(zhì)比是影響火箭運載能力的一個重要指標）越優(yōu)異，運載系數(shù)就越高，平均到單位重量的入軌成本就越低。
可重復(fù)使用運載火箭，意味著要預(yù)留返回的燃料和設(shè)備，相較于一次性使用火箭，可重復(fù)使用運載火箭的運載能力一定是下降的。這個運載能力損失比例需要控制在一定范圍內(nèi)，否則存在一個盈虧平衡點的問題，可回收將會失去意義。
因此，可重復(fù)使用火箭的規(guī)模一定不能小，越大的火箭在干質(zhì)比方面越有天然優(yōu)勢，使得為回收火箭預(yù)留的推進劑、設(shè)備重量導(dǎo)致的運力損失能夠控制在較小范圍內(nèi)，這也是為什么SpaceX放棄了“獵鷹九號”二級回收的開發(fā)，轉(zhuǎn)而選擇一個超大規(guī)模的火箭（“星艦”）來開發(fā)一二級全面可重復(fù)使用運載火箭的原因。
還是那句話，運載火箭的能力有多大，太空探索的舞臺就有多大。超大規(guī)模的完全可重復(fù)使用火箭運載器的出現(xiàn)，這將會徹底改寫人類航天業(yè)的經(jīng)濟賬本，真正打開通往太空的流量，太空商業(yè)時代才會真正來臨。