SpaceX 公司的草蜢火箭實現平穩滯空和返回地面，是技術突破嗎？

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http://v.youku.com/v_show/id_XNTgwMDM0OTk2.html?url_type=1 此技術是否算得上科學上的里程碑

2013年10月7日，SpaceX公司的垂直起降火箭-蚱蜢火箭，實現了744m的飛行試驗。SpaceX公司絕對是航天界的一個異類，這樣的公司一方面幾乎只可能在美國這種市場極其成熟的商業社會中才可能出現和生存；另一方面，也正是美國人讓非常我欽佩的一點，就是他們真的可以配得上「敢想敢幹」這四個字。

SpaceX公司的使命非常明確，那就是降低航天的成本，使其實現商業化運營。大家都知道，從人類開始真正玩航天開始，航天這種事絕對是大國才能玩得起和可能玩的高級玩具，因為航天的消耗實在太巨大了。當年美國傾全國之力登月，前蘇聯的航天計劃同樣也耗費極大，這麼燒錢的事，同時風險還很大，所以商業資本很難也沒有興趣參與其中。

隨著技術的成熟和進步，一些人看到了航天發射技術商用化的可能性。SpaceX公司希望發明一種能夠重複使用的火箭，從而大大降低航天發射的成本，這就是蚱蜢火箭的目標。

學過一點物理的人都知道，要能夠進入地球軌道，需要達到第一宇宙速度，也就是7.9km/s。為了使航天器達到這一速度，齊奧爾科夫斯基證明了，由於地球上目前可用燃料的比沖不夠，必須採用扔包袱的辦法，不斷將無用的負重扔掉，從而獲得足夠的加速度。基於這一原理，人們設計了多級火箭，目前近地軌道使用兩級火箭即可，地球靜止軌道一般都需要使用三級火箭。

蚱蜢火箭的目標是使得第一級火箭能夠重複使用，這樣做一方面是因為第一級火箭的推力最大，自然造價最為昂貴，成本最高，重複使用的經濟價值最大；另一方面，在技術上，要使整個多級火箭都完全能夠重複使用，難度極大，即使實現了，也很有可能是得不償失的。

根據SpaceX公司的闡述，多數火箭都設計為當再入大氣層時燒毀，不能重複使用，而SpaceX的目標不僅是能夠安全的再入大氣層，而且能夠垂直返回發射平台。蚱蜢火箭就是實現垂直起降（VTVL [Vertical Takeoff Vertical Landing]）的關鍵一環。

」While most rockets are designed to burn up on atmosphere reentry, SpaceX rockets are being designed not only to withstand reentry, but also to return to the launch pad for a vertical landing,"

蚱蜢火箭的第一級與Falcon 9火箭相同，有10層樓高，Falcon 9火箭被用於將「龍」貨運飛船發射到國際空間站。

總的來講，SpaceX按照預定計劃，一步步的取得了進步。從最初的2.5m，從2012年到2013年，先後通過7次試驗，逐步將垂直起降高度提高到到目前的744m。按照計劃，試驗台測試將結束，下一步將在德克薩斯進行可重複使用的Falcon9（F9R）火箭的低空測試，然後將在新墨西哥進行高空測試。

要實現蚱蜢火箭的垂直起降，首先是火箭發動機的再次點火技術，如果發動機不能靈活的控制推力，甚至是多次重複點火，自然就不能實現所謂的可重複使用。

人類已經使用的火箭，特別是固體火箭，都是設計為一次點火的；液體火箭可以多次點火，但是技術難度仍然非常大，原因是在承受過極高溫和巨大的震動後要確保所有的設備都正常工作，非常不易。歷史上，也有一些航天發射因為火箭二次點火不成功而造成任務失敗。據SpacesX公司的網站描述，在Falcon9火箭最近的多次飛行中，已經實現了第一級火箭兩台發動機的重新點火，而且第一級火箭的部分設備在重新再入大氣層後已經實現了重複使用。在這方面，SpaceX實現的進步還是相當巨大的。

其次就是控制技術，靈活控制火箭這樣形狀的物體非常困難（蚱蜢火箭10層樓高），打個比方，拿個長一點的木棍，用手指頂著，試試看你能堅持多長時間不倒？經過嚴格訓練的雜技演員當然可以做的很好了，那麼，上面再疊加一根木棍，人類就很難做到了，因為任何一點擾動都會破壞這個系統的穩定性。多級火箭的控制與這個例子類似，所以，這當然是非常難的。但是由於美國等航天大國早已掌握了控制技術，特別是矢量噴管等技術的應用，火箭的控制已經非常成熟，所以我認為在這一點上，蚱蜢火箭的技術進步很大，但還不能說是劃時代的進步。

事實上，美國人搞太空梭也是希望降低發射成本，儘可能重複使用火箭，但是由於當年美國國會的預算不夠，所以只實現了太空梭的重複使用和助推器的可回收，燃料儲箱並不能回收；實際使用結果表明，太空梭在技術上是人類的巨大進步，只有用太空梭才可能建成國際空間站這樣的巨無霸，但是從經濟上講，太空梭每次返航後都要重新檢查隔熱瓦，經過很長時間才能再次使用，而且非常容易發生事故。這一點已經早已不是原來預計的可重複使用的本意，並且總的發射成本比俄羅斯和中國的飛船設計方案高太多。

－－－－補充回答－－－－

從技術上講，一級火箭的回收是最容易的；二級火箭由於軌道高度已經很高，與大氣層劇烈摩擦，一般都會燒毀，殘骸將落至地面，回收難度較大；三級火箭軌道已經相當高，與衛星分離後，本質上已經稱為一個軌道器，需要較長時間的軌道衰減才能逐漸墜落。

從經濟上分析，第三級或者說末級火箭由於安裝了大量的火箭控制設備，所以造假是最昂貴的，如果能夠回收，經濟價值也最大。

中國的火箭發展計劃是實現一級可控，也就是不要砸著地面的人員密集區域；二級就不管了，燒毀拉倒；造價最高的三級火箭要安全回收，重複使用。

SpaceX公司的長遠計劃是實現火箭各部分都能完全回收，而且要垂直起降，這樣的技術目標當然是雄心壯志，但是難度真的很大。個人認為中國的計劃反而更具有可行性和經濟價值。

此外，歐洲正在研製的空天飛機，技術路線與SpaceX公司的計劃完全不同，這一計劃最主要的特點是在低層大氣時能夠使用大氣中的氧氣而不是自帶氧化劑，速度超過5馬赫後再切換為火箭模式。

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希望SpaceX的可重複火箭能夠避免上述的類似問題，實現各級火箭真正的可重複使用，並且具有經濟上的可行性，如果上述目標都實現了，那絕對是劃時代的進步，現在還只走了第一步，談不到劃時代。

－－－－－20131103-－－－－－－－－－－－－

感謝@許鋮的提醒，原文中關於太空梭寫成燃料儲箱可以回收重複使用是不正確的。查證後，太空梭的助推火箭可以回收，但是燃料儲箱（就是橙色的的那個大罐子）是不能回收的。根據設計方案，儲箱與太空梭分離後將破裂以便防止影響航空安全。

太空梭外儲箱從 STS-124任務中與發現號太空梭分離。（來自維基百科）

太空梭的兩個固體助推器是可以回收的，請參看視頻：

回收太空梭固態助推器

大概的回收過程是：

助推火箭落到海里，垂直漂浮，大部分浸沒在海水中；
派出潛水員，用一個專用的設備給助推器充氣，這樣整個助推器都可以浮在海面上；
用駁船將助推火箭打撈起來。

我國運載火箭由於都在大陸發射場發射，距離大海太遠。比如從酒泉發射的話，一級火箭的落點在陝西榆林附近，西昌發射的話，一級落點一般在貴州仁懷市附近，所以肯定無法採用這樣的方式回收。

第一次被邀請，小激動一下。

正如上面曲振宇所說，其實SpaceX的成績只是萬里長征的一小步而已。
第一：高度325m和真正的火箭助推段的分離高等還差得太大，從更高的高等下落，重力加速度導致的的著陸衝擊力，摩擦的溫度問題等還有一大堆呢，這些攔路虎導致對材料的指標上要求會提升到相當變態的程度，材料技術上和氣動水平和熱力學水平都要上好幾個台階才行，目前從報道來看只是解決了姿態的zhe一個小問題而已；
第二：重複使用導致的安全性和實用壽命問題導致的成本上升不得不考慮，例如美國太空梭工程原以為效率和成本能隨著重複發射大幅降低，但是為保證安全性和可靠性，每次發射後都要把太空梭所有零件拆卸下來挨個檢查，之後再重新組織成一架太空梭，成本和工時根本就沒有當初預想的下降程度那麼多。現在最多只是技術探索階段，實際可用性和成本還很不好說啊，我根據過去的航天工業發展歷史為理由，個人難以看好它啊。
第三：為保障重複使用而增加的設備，和重量與結構上付出的代價會降低火箭整體推重比，導致發射效率下降和成本的上升，這個由於技術未確定，方案未凍結（離設計方案凍結還遠著呢），具體會降低多少也不好說啊。

結論：還是毛主席的那句話：道路是曲折的，前途是光明的。SpaceX在發射設備回收和多航天發動機推進方案上的創新和探索讓我十分佩服，可是：
雖然我是Elon Musk的崇拜者，雖然我買了Tesla的股票，雖然Tesla大漲讓我掙了一筆小錢，雖然我是星際迷航腦殘粉，雖然我衷心希望航天大發展，雖然SpaceX給航天業帶來一股新風，我卻不得不說：SpaceX能有目前的成績，是有美國的產業配套的環境和技術水平的助推，吃了很多NASA的老本和技術，要想有顛覆的技術突破，還是要繼續老老實實研發探索啊！
所以廣大的親們，洗洗睡吧，該幹啥幹啥，這只是一個小進步，就像會做一道新題目和考滿分的關係和距離一樣，這不值得大驚小怪；SpaceX的各位工程師們，洗洗睡吧，該幹啥幹啥，明天起來繼續老老實實作研發，如果不想讓大家失望的話。以SpaceX的財力和技術水平要想顛覆航天業現狀有可能；要想站在人類技術最前沿，將人類送入太空的成本廉價化，我只能說有潛力，沒機會。個人覺得大家還是看看電磁推進或者激光推進能不能降低脫離行星引力的成本還比較靠譜，化學能燃料的潛力也就這樣啦。
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這是回答張JOE的疑問：
關於加粗的判斷太武斷的回答：
太空成本的廉價化（要達到載人航天技術大規模應用的引爆點，成本至少要再下降一兩個數量級）個人覺得關鍵一個是要實現可重複利用的航天器；一個是提升燃料的效率；
前者是實現航天設備的重複使用，不是美國太空梭那種飛一次全部拆掉檢查一次的可重複，而是向汽車那樣周期保養即可。這個關鍵是要提升每個部件和整體的可靠性和使用期限，這個需要全人類社會科技水平的逐步提升才能辦到。（一句話，還要時間）
就可回收而言也有幾種方案：
1、直接掉落海中，這個要求火箭本身耐高溫（下落加速），耐撞擊（接觸地面或海面），在綜合考慮成本（這是出發點和最難的要求），材料（要耐高溫耐撞擊高強度）和結構強化設計（結構補強是必須的，死重增加幾乎是一定的）等因素的情況下，現階段基本上是死胡同。
2、對掉落過程進行控制，降低速度，調整姿態，spacex就是採用這種方案。該方案關鍵是要增加死重（姿態控制設備和調整姿態的燃料），推進效率和成本會上升，一定程度上抵消可回收的降低的成本。
後者的現階段目前看核動力比較具有可行性，但是為了避免出現前蘇聯核衛星墜入地球造成污染的此類事故。可靠性和可維護性肯定要大大提升一個檔次。比如安全係數大幅上升，比如核聚變。（但是可靠性相比汽車輪船提高了一個或幾個數量級，成本還要控制住，難度係數和研發風險又變大了）
至於激光等推進技術，目前TRL等級差太多，中近期都不可能。
所以spacex的技術有明顯弱項，在補強之前成功是不太可能的。至少還要補強相關的能力，進行新的融資，突破相應的技術和問題。spacex在可回收上是有可能實現的。但是要進一步降低成本，達到燃料上的改進，還要有技術尤其材料上的突破。這不是spacex一家能辦到的。但是行業合作是可能的。但功勞不是spacex一家的。

關於航天舉全國之力的回答：
發展航天工業要用什麼模式其實沒有唯一的方案，關鍵還是看自身情況和技術儲備和目標階段。

美國和俄羅斯有冷戰期間美蘇太空競賽的老本，人才和技術儲備雄厚，同時美國的經濟和制度相對其他國家有效率和活力上的優勢。因此spacex在人才和技術上起點就高（從波音、洛馬、NASA挖人，從NASA獲得技術轉讓和數據開放），運營上也較為有優勢。反觀中國和印度等國家，人才和技術都是好不容易一點一點攢出來的，航天的企業和機構數量也十分有限，一個新來的要想進入該領域，壁壘巨大。至於韓國等國，國內相關的人才和研究基礎更差，還有國際上航天強國的封鎖和國際條約的限制，他們的發展起點就更低了。（韓國、朝鮮、伊朗起步發射都經歷失敗，不是他們不努力，是「臣妾辦不到」）。

目標不同策略也不一樣，為什麼美國的登月計劃要舉全國之力，因為登月對於當時的美國和全人類來說，技術要求巨大，成本投入驚人。經過了幾十年的航天探索和科技進步，現在發射火箭對於美國而言，難度沒有那麼大。技術、風險和成本上都可以探索商業化運營了。對於韓國、伊朗來說，現階段沒有國家的投資和補貼，要收回當初投入的巨大成本（人才培養和基礎設施建設，基礎研究和技術儲備，前期工程投資和研發，實驗測試積累數據），要實現航天發射的經濟效益，怎麼可能？！目前對他們而言都是產業扶持，政治和軍事和輿論等效益，要想實現經濟上的收益還為時尚早。

對於航天成本的降低，實現人類上太空的大眾化，這是又一個堪比阿波羅計劃的工程。需要美國甚至幾個航天大國集合多個行業攻關才能成功縮短時間，同時經費上也只有強大的國家能夠承受。若是像現在這樣行業自然發展，正常技術積累，在短期內是不可能成功的。人類航天大眾化還要好多年。

結論：春天的希望是始終有的，問題只是冬天有多長。

中國人口多，地盤大，只要你打不死我，那麼你的技術遲早都是會泄密的，我規模一上來就打死你。以前的五胡亂華是這樣，蒙古，滿清也是這樣，日本蘇聯也是這樣。蒙古滿清的騎射被漢人掌握或者被火器壓制後，他們就滾蛋了，中國沒必要跟著美國搞什麼改革，什麼創新創業，中國氛圍不適合基礎也不夠，只要14億人進入了工業社會也就是二戰前的水平，肯定是世界霸主。你不管怎麼創新高科技也不可能比人更厲害。

又忍不住總結了……結合前面各位的回答做簡短總結和補充
首先，是小的技術突破。其實火箭倒立擺的模型控制非常成熟了，整個過程做數學模擬可以跟實際情況幾乎完全一樣。如最高答案所說，這項技術突破最大的估計還是動力系統。

還是動力系統是根本。只要動力足，板磚也能飛。現在燃料火箭的潛力已經用盡了。大家都在研究新型的火箭發動機。感覺誰先掌握了新型火箭發動機的技術，誰就能第一個稱霸太空了。

所以說個人認為，只有類似於發明內燃機這樣子的能源改革才算是大的進步。也就是說什麼時候用上了核能或者是離子火箭發動機，才算大突破。好像有一種叫VASIMR的吊炸天的離子火箭，誰能具體說說？？？

可以肯定的是，據了解相關技術中方也在研究，不過還差得很遠。

SpaceX公司的獵鷹火箭一級和二級都準備回收的。三級就是入軌的衛星和飛船等航天器，不在討論範圍之內。

二級回收並不比一級回收要難許多。二級速度雖然遠高於一級，但是只有一台發動機，重量要輕得多。二級火箭在頭部有防熱大底，回收時腦袋朝下，依靠空氣阻力減速，把他想像成聯盟或神舟飛船回收就可以了。

2級與3級也完全可以實現不摩擦燃燒返回大氣層，只是要多費很多燃料

個人認為就目前來說並不能算的上是里程碑，但是未來如何並不能很好地預知。蚱蜢還有太多的問題需要解決，甚至許多人對其並不抱有太大的希望，認為其很有可能是一次失敗的嘗試。不過，我認為有嘗試總是好的，如果你不嘗試去解決問題，那問題就永遠不能得到解決。只是不知道其理論研究進行到了哪一步，可能美國已經做好了理論準備工作，只需要逐步進行嘗試而已。當然，如果蚱蜢最後真的能夠實現火箭的重複使用，並能夠節約成本，當然可以算得上是一個里程碑了。

我一直奇怪為什麼人們的思維一直停留在回收利用上面呢，空間站已經建這麼大了為什麼不建一個太空工廠來直接建造衛星，只給空間站傳輸技術資料就行了，有很多器件太空中的性能更好吧。spacex仍然沒有解決回收後可用性下降的問題，必須要經過長周期的安全檢查才能投入使用，而且材料技術也沒有突破，不過倒是新技術的綜合應用比較成功

據說造太空梭的目的也是為了可重複利用，節省成本，可結果。。。

13年草蜢火箭到16年海上回收，中間只有三年，呵呵呵呵。

火箭技術其實已經很成熟了，不需要什麼突破。三胖都可以搞，你什麼時候聽說過三胖能夠搞三代機？更別說4代機了

SpeaceX這家公司做的事情絕對是一個里程碑，不過突然看到上面還有拿美國登月來說事，忍不住出來說說了，我可以很負責任的告訴你，美國人40年前登月的概率非常小：
美國載人登月是否造假斯諾登拋出「謎中謎」
美國1969年的登月是真是假？
人類從未登月驚天之謎歐空局要查出基本真相
阿波羅登月計劃陰謀論
原來美國登月的計算機是如此落後
計算機方面也可以證明登月造假
也談「美國登月」的真假？純屬閑談 ^o^
鐵血網
鐵的事實證明:美國登月是20世紀最大的科學騙局