【編者按】本文作者毛新願，荷蘭代爾夫特理工大學航太工程專業博士，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後，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。
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入軌的軌跡，一級火箭在將剩餘部分火箭，送入既定位置後繼續返回，返回高度已經超過200千米，飛行水準距離約95千米，而且剩餘火箭成功完成了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）
關於SpaceX這個公司和他老闆伊隆·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。
首先，為什麼要回收火箭？
由於技術複雜，沒有工業化批量生產，火箭的製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。為了航太發射節省成本，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太空梭。
然而事實證明由於系統過於複雜、再利用成本極其高昂，太空梭成為一個失敗的科研專案：美國太空梭平均的發射費用，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，重複回收火箭被人重新提出。
因為從理論上講，火箭的發射成本裡面，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資料自然大大降低了成本。
雖然由於系統設計難度增加、冗餘及備份、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。
於是乎，各個航太大國的火箭回收項目又看到了曙光，由於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太科研重心並不在於此，這讓背景為民營的SpaceX，有了自己的科研空間。但要記住，航太永遠是國之重器，SpaceX研究的火箭回收技術，只是美國太空總署出讓出去的很小一部分而已。
那麼，SpaceX是如何做到的？
- 說到這裡，先簡單回顧下SpaceX的成立。
SpaceX是一家民營的私人航太公司，是的，你沒有看錯，剛開始這並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務軟體，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年後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），然後便開始了他的航太之路。在逐漸獲得成功之後，拿到了美國太空總署的合同和技術支持，才真正踏上了飛天之路。
（圖片來自SpaceX官網）
- 火箭發動機的製造
SpaceX的火箭發動機製造技術，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太大國水準。
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，整個系統採用了非常先進的系統冗餘和容錯設計，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的殺手鐧技術，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，這些試驗機基本上採用“跳躍”的方式發射，然後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，前後進行了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米並有了橫向機動，SpaceX獲得了一系列重要試驗資料，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太空總署資助。
（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，但最後一次不幸失敗，失之毫釐謬以千里，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後的返回試驗，這就是大家比較熟悉的海上平臺回收。然而並非一切順利，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裡；
第二次（2015年4月）使用了海上平臺但火箭直接傾覆後爆炸在平臺上；
第三次（2015年6月）直接在空中爆炸。
（2015年4月官方回收影片截圖）
- 陸地回收最終成功
經過了眾多失敗，SpaceX決定採用陸地回收的策略，並終於在12月22日迎來了首次成功，一系列投入終於換回了讓人欣慰的回報。
火箭採取了垂直回收的方式，降落過程中逐漸導航至下降通道，最後落地前火箭發動機將相對速度降為接近0的狀態，採取四個支架平穩著陸。
在回收影片中可以看到，現場由於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，但後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。觀看影片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太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）
火箭回收的意義到底是什麼？
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後續的“刹車”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，要增加很多冗餘設計，風險較大；
c、火箭發射一個重要指標就是推重比，相當於有效載荷(衛星或飛船)所佔比例越高越好，但如果考慮回收，相當於額外的一些燃料和系統設計會佔掉有效載荷的空間，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、類似太空梭，回收過後的維護尤其對一級發動機的維護，恐怕成本不亞於直接換一個新的；
從這些方面說，在目前這個技術程度和航太發射需求下，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。
但這畢竟是人類航太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太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、環遊了全世界。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。
0 comments:
張貼留言