SpaceX給航天界的啟示 ——寫在獵鷹九號火箭成功回收之際

出品：科普中國

製作：中國科學院國家天文台鄭永春

監製：中國科學院計算機網路信息中心

航天發展的瓶頸在運載火箭，如何把一大堆很重的物體送入太空，一直是制約人類太空探索的難點。在大多數人的概念中，火箭就應該是一次性產品，點火之後一飛衝天，把航天器（衛星或飛船）送入預定軌道，火箭的使命就完成了。

然而，就在昨天，SpaceX成功實現獵鷹九號火箭回收，說明火箭重複利用的時代就要帶來了，這一消息在朋友圈快速傳播。

那麼，SpaceX是如何實現火箭回收的呢？對未來的航天格局會有什麼影響？又能對中國航天界帶來什麼啟示？

在喧鬧的背後，需要我們逐一冷靜分析。

連戰連敗，終獲成功

在獵鷹九號的第一級火箭實現成功回收之前，是一連串的失敗。

2015年1月10日，獵鷹九號在執行CRS-5發射任務時測試火箭回收技術。第一級火箭在發射後，落向大西洋上一艘駁船改裝的著陸平台，雖然準確地命中目標，但由於下降速度過快，導致火箭在甲板上發生爆炸。

2月12日，獵鷹九號在為美國國家海洋和大氣管理局發射深空氣候觀測站（DSCOVER）衛星時再次測試火箭回收技術。由於當時海上風浪很大，駁船被迫撤回，火箭雖然在海面上成功軟著陸，但最終落入水中。

4月14日，獵鷹九號在執行CRS-6發射任務時再次測試火箭回收技術。雖然一級火箭準確著陸在駁船甲板上，但由於橫向速度過大，火箭未能在甲板上穩穩站立，最終導致傾覆爆炸。

6月28日，獵鷹九號第三次嘗試海上回收火箭。但這次更慘，遭遇到了發射失敗，火箭以及給國際空間站運貨的飛船，統統在高空解體。

連戰連敗，SpaceX開始閉門思過，認真檢查每一個環節，改進設計方案。他們改進了發動機引擎和火箭的多級分離系統，並調整了燃料配方。

在此期間，美國另一家民營航天企業藍色起源公司的新謝潑德火箭實現了回收。雖然，新謝潑德火箭只是一枚探空火箭，只是在地球大氣層內的亞軌道飛行，並沒有飛出地球大氣層，也沒有發射航天器的能力，只適用於開展商業太空旅遊體驗。但相關輿論給了SpaceX很大的壓力。

閉關半年之後的12月22日，趕在聖誕節這一西方人最重要的節日之前。SpaceX再次測試火箭回收技術，終獲成功。

這是獵鷹九號的第20次飛行，也是設計方案升級後的第一次飛行。經歷了重重失敗之後，所有人終於可以安心回家過新年了。

火箭成功發射，起飛後1分13秒，推進達到1馬赫；

1分24秒，火箭達到最大動壓；

2分20秒，火箭第一級關機；

2分24秒，火箭多級分離；

2分35秒，第二級火箭點火；

2分55秒，火箭整流罩分離；

4分鐘左右，第一級火箭返回飛行點火；

8分鐘左右，第一級火箭再次點火，火箭再入地球大氣層；

9分40秒，第一級火箭穩穩站立在發射場附近的陸上著陸平台，火箭回收成功。

可回收火箭究竟難在何處

可回收火箭究竟難在何處？

難就難在十分複雜的電子系統上。電子系統是火箭的大腦，由遍布箭體的各種感測器獲取火箭飛行的各種參數，然後通過信息匯總、計算，及時調整飛行方案，這一過程類似大腦的思考和決策過程。通過各種控制部件，執行指令，這一過程類似大腦控制我們身體上的各種運動器官。

獵鷹九號火箭實現成功回收，足以證明該型火箭的電子系統十分強大。

獵鷹九號的第一級火箭共有九台發動機，發射的時候九台發動機一起點火，用大推力使火箭擺脫地球引力升空。而在回收著陸的時候，獵鷹九號關閉其中的六台發動機，只剩三台繼續工作。而且，這剩下的三台發動機的推力是精確可調的，這樣才能使龐大身軀的火箭在剛剛著地時的速度基本為零，平穩地降落在平台上。

獵鷹火箭要實現平穩著陸，成功回收，可以調節推力的火箭發動機是成功的關鍵。要實現發動機推力可調，就需要改變燃燒室、燃料泵等的設計，實時調節發動機內部的溫度和壓力，並調節燃料的流量。這種大推力的可調發動機既要用於火箭發射階段，又要用於回收時的減速反推。相當於一個人既要獲得世界舉重冠軍，又要能幹十分靈巧的繡花針，實際上是一件很難的事情。

一旦實現發動機推力可調，就可以實現火箭的定時、定點入軌，相當於給火箭安裝了油門，可以實現與其他航天器的快速交會對接。

新一代運載火箭究竟新在何處

隨著航天運輸的需求越來越多樣化，傳統的運載火箭已經到了不得不更新換代的階段。當前，世界各航天大國正在致力於研發新一代運載火箭，將採用大量的新技術和新材料，實現降低成本、提高可能性、滿足多樣化需求的目標。

那麼，所謂新一代火箭，究竟新在何處？

縱觀世界各航天大國，俄羅斯正在致力於研製安加拉系列火箭（Angara），這是一個全新的火箭家族，由俄羅斯聯合火箭航天集團公司研發。通過捆綁式的多個通用火箭模塊，安加拉火箭可以根據需要組合出不同推力的火箭，火箭推力從2噸到75噸不等，可以適應不同運載重量的航天發射需要。安加拉系列火箭研發成功後，將取代現在的虎嘯號火箭和質子號火箭，成為未來俄羅斯航天運輸的主力。2014年12月23號，「安加拉-A5」型火箭在普列謝茨克發射，邁出了成功的一步。

美國正在研發的新一代重型運載火箭「太空發射系統」(SpaceLaunchSystem)，號稱是人類歷史上最強大的運載火箭系統，巨型發動機的長度達54米，運載能力超過130噸，在未來的載人登陸火星和載人深空探索中將發揮關鍵作用。2015年3月11日，「太空發射系統」進行了試驗性發射，整個過程非常成功。根據規劃，「太空發射系統」火箭的首次正式發射將於2017年進行。

歐洲致力於研發新的阿麗亞娜6型火箭（Ariane6），以取代現有的阿麗亞娜5型火箭，計劃於2020年進行首次發射，2021年發射次數增加到4次，2023年開始年發射次數增加到11次。

日本在H-IIA運載火箭成功率大大提高之後，正在研製H-X新一代火箭，該火箭的第一級和第二級將使用液氫液氧作為燃料的火箭發動機，並研製固體燃料助推器，通過採用前沿技術，實現航天運輸的低成本和高可靠。

與上述政府支持的重型運載火箭相比，SpaceX作為一家民營航天企業，成功地改變了航天高大上的特點，大大降低了進入太空的成本，使航天越來越平民化，越來越多的普通人都可以接觸到航天，這給傳統航天業帶來的改變一定是顛覆性的。

SpaceX的成功對航天業有何影響

雖然火箭可回收，與汽車可加油還是有相當差異的。畢竟那麼龐大的一個物體經過了高速飛行，經歷了高溫燃燒，有些部件是無法重複利用的。但確確實實可以大幅度地降低成本，至少價值數百萬、上千萬美元的發動機不再是一次性的，可以回收再次利用。

獵鷹九號火箭的標準發射費用為5400萬美元，而中國的長征三號乙火箭在海外報價的發射費用也在6000萬美元以上，所以即便不回收，獵鷹九號也已經成為世界上最便宜的發射工具。

這次，獵鷹九號的成功回收更是讓很多外行人感嘆，廉價航天時代即將來臨。

記得前段時間獵鷹火箭連連失敗的時候，航天界有人嘲笑馬斯克，說航天是需要積累的，不是誰都能搞的。現在，獵鷹九號的成功回收是對這些嘲諷最好的回應。

SpaceX的成功不僅在於技術的先進性，更在於採用了不同於傳統航天業的商業化運作模式。傳統航天業往往採用研發模式，每一枚火箭都需要設計、生產、測試等等，不僅環節複雜，而且大大增加了生產周期和生產成本，浪費了大量的人力物力。而且，每一次設計都會有新的風險，導致可靠性不夠穩定。

SpaceX由於採用了商業化發展的方式，所有的軟硬體均在它的控制範圍內，不存在外包環節，所以造火箭和飛船就類似於我們造洗衣機和冰箱，全程質量可控。他們在航天領域率先實踐流水線化的生產模式，只要一次成功，便可以次次成功，並通過大規模生產，大幅度降低生產成本。雖然也會存在一定的故障率和次品率，但不存在重新研發的風險。

SpaceX作為一家民營航天企業，十分注重成本和質量控制。由於採用了商業化模式，很多產品都會盡量按照批次生產和採購，也都會儘可能地回收利用。之前的每一次失敗，實際上都是在進行相關的技術測試，然後改進方案，並非我們想像的是在燒錢。

而反觀傳統航天業，一直給人一種神秘的感覺，雖然頂著高大上的光環，但其內部照樣會面臨很多體制機制問題，阻礙技術創新。由於缺少外部競爭，問題逐漸積累，改革十分艱難。這也是美國政府不遺餘力扶持民營航天的原因之一，他們要給自己扶持競爭對手，讓外部壓力增大，才能觸動內部僵化的利益格局。

獨立自主、自力更生的中國航天領域一直是我們的驕傲，但這種驕傲更多局限在國土之內，航天發展在對國民經濟推動方面還有很大的潛力可挖。中國的高鐵和核電，已經大踏步走出國門，成為中國走向世界的名片。用中國人的智慧，掙全世界的錢。在這一點上，中國航天界還有很長的路要走。在某種程度上，航天要向高鐵和核電學習，只有大進大出，充分開放和競爭，經歷市場風雨的洗禮，才能成長為參天大樹。

喬布斯一個人和他領導研發的智能手機，使手機從單純的通信工具變成了一台微型電腦，成為了個人生活和娛樂中心，更顛覆了傳統手機行業的格局。馬斯克一個人和他領導研發的可回收火箭，對航天業的影響還遠遠沒有發揮出來，或許也將改變整個航天業的發展格局。這一點，需要中國航天界引起足夠的重視。

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