文｜觀察未來(lái)科技
當(dāng)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(guó)倫敦皇家航空學(xué)學(xué)會(huì)演講放言，在未來(lái)15年到20年，美國(guó)SpaceX公司計(jì)劃將8萬(wàn)名地球人送往火星殖民。
理想是美好的，但目前來(lái)看，卻離人們的生活依舊遙遠(yuǎn)，一張?zhí)盏拈T(mén)票就要高達(dá)5500萬(wàn)美元。并且，如果不能找到比較經(jīng)濟(jì)的方式從地球到達(dá)火星，人類(lèi)在火星上定居也將無(wú)法實(shí)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(wèn)題。而解決這一難題的關(guān)鍵之一，就是運(yùn)載火箭。
如何打破太空旅游的昂貴？
運(yùn)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(cè)器等有效載荷送入預(yù)定軌道的航天運(yùn)輸工具，由單級(jí)或多級(jí)火箭組成。
作為進(jìn)入太空的運(yùn)載工具，運(yùn)載火箭是一切太空活動(dòng)的前提和基礎(chǔ)，也決定著載人航天工程的高度，沒(méi)有大推力、高可靠、高安全的運(yùn)載火箭，載人飛船就不可能進(jìn)入預(yù)定軌道，航天員的太空活動(dòng)也無(wú)從談起?？梢哉f(shuō)，運(yùn)載火箭的能力有多大，太空探索的舞臺(tái)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(shuō)整個(gè)太空商業(yè)生態(tài)要想形成，都離不開(kāi)運(yùn)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(guó)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(diǎn)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(lèi)實(shí)現(xiàn)火星生存的決定性因素，也將是極大改寫(xiě)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(hào)”火箭的總成本是6 000萬(wàn)美元，其中只有0.3%是燃料成本，因此他說(shuō)：“如果‘獵鷹9號(hào)’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(wàn)美元降到6萬(wàn)美元。這顯然將是一個(gè)巨大的變化?！北M管“獵鷹9號(hào)”還無(wú)法承擔(dān)哪怕只有一個(gè)宇航員的火星旅行任務(wù)，馬斯克卻借此說(shuō)明了火箭的可重復(fù)利用將會(huì)對(duì)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(shí)現(xiàn)，馬斯克說(shuō)：“那我們可能承受不起火星旅行的高昂成本，因?yàn)檫@是將全年國(guó)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(lán)色起源”的目標(biāo)是壓低太空旅行的成本，并提高技術(shù)的安全性。他說(shuō)，團(tuán)隊(duì)“努力降低太空旅行的成本，創(chuàng)建一個(gè)人類(lèi)可以親自探索太陽(yáng)系的未來(lái)，隨著時(shí)間的推移，緩慢、穩(wěn)健的進(jìn)展將會(huì)戰(zhàn)勝我們所面臨的挑戰(zhàn)”。
傳統(tǒng)運(yùn)載火箭都是一次性使用運(yùn)載火箭，發(fā)射服務(wù)成本很高，相當(dāng)于“乘客”不僅僅要掏燃料費(fèi)用，還需要買(mǎi)下整發(fā)火箭才能夠完成發(fā)射。如果運(yùn)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?yàn)榭梢远啻问褂帽粩偙?。其中的原理和航空業(yè)相似：乘客只需要掏燃料費(fèi)用和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，而不需要買(mǎi)下整架飛機(jī)。這樣的出行商業(yè)邏輯，會(huì)讓發(fā)射服務(wù)的價(jià)格大幅降低。
可以說(shuō)，運(yùn)載火箭是目前通往太空的唯一入口——但目前，運(yùn)載火箭依然昂貴、流量很小，輕則千萬(wàn)，重則上億，這就使得很多太空產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式無(wú)法成立，因此，商業(yè)航天突破的關(guān)鍵點(diǎn)，就在于低成本的商業(yè)運(yùn)載火箭。只有當(dāng)商業(yè)運(yùn)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(huì)走向普通人。
獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的“獵鷹9號(hào)”
運(yùn)載火箭的突破并沒(méi)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(hào)”的一級(jí)火箭。“獵鷹9號(hào)”的一級(jí)火箭是以自動(dòng)垂直降落、借助可變推力發(fā)動(dòng)機(jī)軟著陸的方式實(shí)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(diǎn)精度高，需要控制在10米內(nèi)。SpaceX通過(guò)打造遙控?zé)o人船作為浮動(dòng)的海上火箭降落平臺(tái)，在盡量控制火箭回收著陸點(diǎn)的同時(shí)，移動(dòng)海上著陸平臺(tái)來(lái)配合火箭。另一方面，SpaceX通過(guò)使用變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，使緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(wèn)題。同時(shí)，“獵鷹9號(hào)”火箭體采用了新型復(fù)合材料，在保證較高強(qiáng)度的情況下進(jìn)一步減輕了重量。
2015年年底的首次成功回收，是人類(lèi)火箭技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，也被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)為2016年十大突破性技術(shù)。
自2016年以來(lái)，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(kāi)始形成了常規(guī)流程。到2018年2月，已經(jīng)成功回收一級(jí)火箭17個(gè)，其中有6個(gè)是已經(jīng)進(jìn)行過(guò)重復(fù)回收的，共計(jì)23次重復(fù)著陸回收。隨著連續(xù)多次回收成功，SpaceX開(kāi)始專(zhuān)注于一級(jí)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(gè)回收后的一級(jí)火箭被重復(fù)使用，證明了火箭二次使用的經(jīng)濟(jì)性。第5批次（Block5）的火箭在設(shè)計(jì)時(shí)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(shuō)，“獵鷹9號(hào)”火箭是美國(guó)近年來(lái)發(fā)射頻度最高的運(yùn)載火箭，也是全球唯一常態(tài)化重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，各項(xiàng)數(shù)據(jù)不斷刷新紀(jì)錄。2021年實(shí)現(xiàn)了單一型號(hào)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?！矮C鷹9號(hào)”火箭一級(jí)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(jí)箭體復(fù)用次數(shù)更是達(dá)到了13次。
“獵鷹9號(hào)”火箭憑借重復(fù)使用技術(shù)有效降低了進(jìn)入空間成本，增強(qiáng)了其在發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)定價(jià)的話語(yǔ)權(quán)，LEO軌道和GTO軌道發(fā)射服務(wù)公開(kāi)報(bào)價(jià)約合人民幣2.6萬(wàn)元/千克和7.8萬(wàn)元/千克，均低于美國(guó)同等能力一次性運(yùn)載火箭。調(diào)研同時(shí)發(fā)現(xiàn)，其承擔(dān)的軍方和政府的項(xiàng)目平均價(jià)格比官網(wǎng)報(bào)價(jià)高約30%以上，這也反映出軍方和政府對(duì)SpaceX公司的潛在支持。
不過(guò)，“獵鷹九號(hào)”還只有一級(jí)能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)使用，二級(jí)仍然是一次性的，只能算部分可重復(fù)使用火箭。當(dāng)前，馬斯克正在推進(jìn)下一代運(yùn)載火箭系統(tǒng)的研發(fā)，SpaceX的下一代運(yùn)輸系統(tǒng)“Starship”（星艦），則是一個(gè)一級(jí)和二級(jí)全面可重復(fù)使用的運(yùn)輸系統(tǒng)。這將真正意義上實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器的各部分全部回收、多次重復(fù)使用，能夠真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的發(fā)射服務(wù)成本大幅降低。
并且，這個(gè)“星艦”的規(guī)模足夠大，起飛推力超過(guò)7 000噸，相當(dāng)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(lèi)有史以來(lái)最大的運(yùn)載火箭，比“阿波羅計(jì)劃”的“土星五號(hào)”運(yùn)載火箭還要大。“星艦”的投入使用還將誕生更大規(guī)模的運(yùn)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(dāng)然，專(zhuān)注于運(yùn)載火箭可回收的也并不只是馬斯克SpaceX一家。實(shí)際上，在馬斯克的“獵鷹9號(hào)”實(shí)現(xiàn)回收的同一時(shí)期，Amazon創(chuàng)始人貝佐斯也創(chuàng)立了藍(lán)色起源太空技術(shù)公司，專(zhuān)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(dòng)者。
從2015年11月到2016年10月，藍(lán)色企業(yè)的New Shepard2號(hào)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(hào)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(hào)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(guó)都已經(jīng)加快或即將完成具有重復(fù)使用特征的運(yùn)載火箭甚至重型運(yùn)載火箭的研制，支撐本國(guó)航天活動(dòng)向更大規(guī)模、更高頻次、更遠(yuǎn)距離發(fā)展。
不過(guò)，我國(guó)運(yùn)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(dòng)力、控制等為代表的關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)重復(fù)使用的工程化應(yīng)用。
可以預(yù)見(jiàn)，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(yùn)載火箭的開(kāi)發(fā)。值得一提的是，運(yùn)載火箭也逃不開(kāi)“北極熊”規(guī)律。動(dòng)物界有個(gè)規(guī)律：北方的熊長(zhǎng)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(gè)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(lái)，于是自然選擇的結(jié)果導(dǎo)致北方剩下的都是大熊。
運(yùn)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(yùn)載能力的一個(gè)重要指標(biāo)）越優(yōu)異，運(yùn)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(yùn)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(yùn)載火箭的運(yùn)載能力一定是下降的。這個(gè)運(yùn)載能力損失比例需要控制在一定范圍內(nèi)，否則存在一個(gè)盈虧平衡點(diǎn)的問(wèn)題，可回收將會(huì)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(shì)，使得為回收火箭預(yù)留的推進(jìn)劑、設(shè)備重量導(dǎo)致的運(yùn)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(hào)”二級(jí)回收的開(kāi)發(fā)，轉(zhuǎn)而選擇一個(gè)超大規(guī)模的火箭（“星艦”）來(lái)開(kāi)發(fā)一二級(jí)全面可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的原因。
還是那句話，運(yùn)載火箭的能力有多大，太空探索的舞臺(tái)就有多大。超大規(guī)模的完全可重復(fù)使用火箭運(yùn)載器的出現(xiàn)，這將會(huì)徹底改寫(xiě)人類(lèi)航天業(yè)的經(jīng)濟(jì)賬本，真正打開(kāi)通往太空的流量，太空商業(yè)時(shí)代才會(huì)真正來(lái)臨。