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火箭复用的颠覆式创新,SpaceX如何做到的?

2021年6月17日,猎鹰9号发射的GPS III SV05 | 图源:NASA

导  读

12月21日,是一个刻写了多个航天标志性事件的日子。 

1968年的这一天,阿波罗8号发射升空,开启了人类首次飞出地球轨道的环月之旅;2015年的这一天,猎鹰9号一级火箭垂直降落在陆地着陆区,标志着全球首次轨道发射火箭陆地回收;2021年的这一天,猎鹰9号一级火箭垂直降落在一个仅有足球场大小的海上平台,这也是SpaceX历史性实现第100次回收火箭。

 

撰文 | 程亦之(宇航科普作家)

责编 | 邸利会

 

从1到100

图1 2015年12月22日发射ORBCOMM-2,编号为B1019的猎鹰9号一级火箭实现全球首次轨道发射火箭陆地回收 | 图源:Official SpaceX Photos

短短6年工夫,100次的回收,这一数字甚至超过了全球现役绝大多数单款火箭的发射次数;而平均每22天成功回收一次火箭,比全球现役绝大多数火箭发射节奏都要快得多。

凭借独一无二的火箭回收、复用技术与运营,SpaceX刷新一连串航天产业纪录——

● 截至2021年底,重复使用78次回收型火箭;

 领先实现火箭飞船全复用模式执行载人航天(Crew-2任务);

 突破性实现一箭11次飞行11次回收(一级火箭编号B1051.11);

 自2017年首次复用火箭至2021年底,至少省下二三十亿美元发射成本;

 创下全球每公斤承载发射单价最低(SpaceX约为1410美元/公斤,其他发射商最低5000美元/公斤);

 2020、2021年,创造年发射载荷数量最多、载荷质量占全球一半的纪录;

 2020年成为最大卫星运营商,快速拥有全球最大卫星群,计划部署4.2万颗卫星的星链星座,正打造史无前例的巨型星座……

SpaceX这家私营发射商一跃成为全球太空快递一哥,震惊了世界,改变了行业。如今,火箭复用这一硬核技术已经撼动了整个航天发射界,让其他发射商垂涎三尺,如果不是望尘莫及,就得赶紧奋起直追……

 

复用踩过的 “坑”

图2 2018年2月6日全球现役最强火箭重型猎鹰首飞,两枚侧翼火箭同步回收降落在着陆区 | 图源:Official SpaceX Photos

如果说火箭是人类征服太空的通天塔,那么复用火箭曾是几近科幻级别的太空梦想。早在20世纪60年代后期,宇航先驱者们就开始构想完全可重复使用的太空发射系统。

既然航空航天不分家,人们很自然首先想到借鉴航空工业——制造一种类似飞机的可多次复用的航天运载器,成了最直接的反应,十多年后诞生的美国航天飞机、苏联暴风雪号航天飞机都是这种想法的产物。

然而想法很美好,现实很残酷。研制、维护、运营费用太高,试图通过更高的发射频次,分摊降低发射成本的想法也过于乐观,航天飞机最终并没有实现降低发射费用的目标。

由于每次发射成本高达5亿美元,且发射越多,花费越大,苏联的航天飞机仅小飞过一次,美国尽管飞过135次,但遭受了两次灾难性事故,最终不得不退出历史的天空,成为复用航天史上的绝唱。 

随着航天飞机各种问题不断暴露出来,NASA开始论证第二代航天飞机和空天飞机,著名的美国国家空天飞机(NASP)、 三角快帆(DC-X)呼之欲出。

美国国家空天飞机采用水平起降、单级入轨的技术路线,更接近飞机的思路,但技术难度实在太大,单级入轨过于理想;三角快帆虽然长相怪异,不过在设计上更接近于垂直着陆火箭(VTVL),因此测试之路走得更远。 

尽管三角快帆和空天飞机两个项目,由于种种原因最终半途而废,不过三角快帆作为探路者的有益探索,为日后的猎鹰火箭回收开辟了新路径。 

当然,SpaceX也不是一开始就直得要领的。

早在2010年~2013年,1.0版猎鹰9号经过几次试水证明:降落伞式回收是个坑——采用降落伞式回收,箭体、降落伞很容易在再入大气时被摧毁、失控。

反而是,同一时期并行测试的蚱蜢原型机,却能够不断突破,最终演进成为猎鹰9号回收型火箭。直到2015年12月21日,梦想照进现实,SpaceX创下全球首次轨道发射火箭陆地回收的壮举。

耐人寻味的是,当年蓝色起源比SpaceX整整早1个月实现火箭回收,只不过新谢泼德火箭属于亚轨道试飞,且至今依然保持这一 “龟速” 状态。而猎鹰9号成功回收的同时,承运的却是SpaceX第20次商业发射,一箭11星部署Orbcomm物联网卫星。两者起跳点从一开始就不在同一个层级。 

此外,当年跟SpaceX一同竞争NASA货运补给订单的基斯特勒公司(Rocketplane Kistler),更早起步研发一款全复用火箭,代号K-1。设计回收思路:第一级采用气囊缓冲方式着陆。但这家公司却很短命,很快于2010年破产。

作为老牌航天强国的俄罗斯,尽管兜里没钱但不乏创意。

早在2007年,马克耶夫设计局就曾提出过一款类似猎鹰9号的垂直着陆回收火箭(VTVL),代号ROSSIYANKA,比2011年SpaceX公布的蚱蜢原型机足足早了4年。只可惜俄航天局有眼无珠,以技术风险太大为由,最终扼杀了开发念头。

 

 为何是SpaceX? 

图3 2020年11月22日发射Sentinel 6,这枚编号B1063.1的崭新火箭从加州范登堡发射场升空,几分钟后降落在不远处的陆地着陆区 | 图源:Official SpaceX Photos

SpaceX之所以最终打通复用火箭路径,是诸多因素交互作用的结果。

首先不可或缺的是主因。SpaceX拥有一位不怕失败的灵魂人物。

马斯克亲口说过的金句——“失败越多,就越可能接近成功。如果失败得不够多,说明你还不够创新。” 面对垂直着陆回收火箭这类科幻般的技术攻关,如果没有主导者异常强大的抗压性、承受力,很难笑到最后。 

反观电商出身的贝佐斯,换到太空界却变得非常保守,不断告诫研发团队:“这是一场比赛,我希望是太空史上最安全的发射系统。” 于是乌龟成了蓝色起源的吉祥物,凸显出贝佐斯的 “龟速” 信条:你只有一次一步,才能更快到达。

至于那帮老牌航天公司,无论是航天巨头还是国家队更是不敢当先,或者受困于体制,或者被既得利益或者成就所绑架、拖累,哪有锐气和魄力去敢挑战技术创新?有的也只是亦步亦趋、跟着抄作业。 

此外,SpaceX创新力与执行力恰好匹配,最终才能把看似科幻级的垂直着陆回收火箭变成现实。 

当初NASA设计复用发射系统时,假设的限制条件是 “火箭的回归需要靠空气动力学的升力”,于是催生了外形类似飞机的航天飞机。可是机翼巨大而沉重,空气动力学的升力大小,又得视机翼尺寸而定。机翼越大,虽然升力也越大,但在发射时也会增加重量、体积、阻力。 

考量到这些限制后,航天飞机发射系统最终被设计成一个不伦不类的折衷方案——配有一个附加在外的巨大油箱,而且只能使用一次,航天飞机本身的滑翔能力也是相当有限。 

相反,SpaceX彻底改变了设计思路:不再考虑什么空气动力学的升力了,就靠火箭本身动力。

其大胆之处在于需要重新点燃火箭发动机,挑战在于必须预留足够燃料,来减缓火箭降速(燃料也很重,还不能保留太多),还得依靠精湛的控制系统,以便稳定着陆过程。

一旦敲定整体设计思路,剩下来就是百折不挠的执行力、各个击破的创新力,最终得以实现敢为天下先的垂直着陆回收模式。 

其实,SpaceX不管是垂直整合、技术创新、低价高效、成本管控,还是卓越的创新力加上罕见的执行力,早已被一遍遍反复检验过,因此才会成就如今太空领域的大赢家。 

 

全球跟进

图4 2021年6月17日发射GPS III SV05,一枚编号B1062.2的二手火箭即将落在海上回收平台上 | 图源:Official SpaceX Photos

由SpaceX开创的一级火箭回收复用模式,从最初被业界所不齿,到如今被效仿,短短几年工夫彻底改写了全球航天发射领域的市场格局和发展趋势。

2020年底成功首飞的长征八号,升级版CZ-8R作为国家队首款目标回收火箭正在研制中,计划2025年左右首度回收; 

首次挑战入轨发射未果的蓝箭航天(Landspace),正在研制朱雀二号甲烷液氧火箭,计划第一级采用垂直着陆回收技术;

中国民营商业航天首次成功发射入轨的星际荣耀(iSpace)正在开发的双曲线二号火箭,目标也是实现垂直着陆回收;

星河动力(Galactic Energy)研制的帕拉斯一号火箭,设计目标也将实现多次复用,现计划2022年下半年试飞;

美国火箭实验室(Rocket Lab)发布的中子火箭,采用一级火箭+整流罩一体化垂直回收模式,瞄准2024年首飞;

蓝色起源(Blue Origin)试图打造新一代复用型火箭新格伦;

联合发射联盟(ULA)希望通过火神火箭进入复用航天俱乐部;

相对论太空(Relativity Space)正在研制的人族R(Terran R),同样瞄准垂直回收复用能力;

俄罗斯航天局(Roscosmos)试图把阿穆尔火箭(Amur)打造成复用回收型火箭;

欧空局(ESA)寄希望于忒弥斯(Themis)成为复用火箭;

印度空间研究组织(ISRO)期待自家下一代火箭RLV TSTO有朝一日实现回收…… 

不过,纵观全球,不管是国家队还是老牌劲旅,即便从眼下开始算起,最起码至少也得5~10年才能初步掌握回收/复用火箭技术。

到那时,一路遥遥领先的太空一哥SpaceX,已经成为地球轨道圈的 “价格屠夫”,更可能成为深空界道高一丈的 “世外高人”——

SpaceX完全有能力驾驭新一代快速全复用太空运输系统——星舰(Starship);娴熟执掌超重型火箭、星舰飞船的完全复用技术;在地球空间编织点对点的全球一小时交通网;在地月轨道构建繁忙的载人月球航班;在地火之间打造定期的火星运输线……

这一切不再是航天白日梦,也不再是马斯克的个人梦想,而是人类跨出母星摇篮,构建跨星球文明,开启大航天时代的现实写照。 

这一切都基于最初的复用火箭路径,未来的快速全复用模式。

 

背景知识 

回收火箭到底有多难?

如果把猎鹰9号回收火箭比作一支铅笔,从发射到返回的技术难度,相当于让这支铅笔飞过帝国大厦头顶(103层,超过450米),然后再精准落到一个只有鞋盒大小的着陆点! 真实版的猎鹰一级火箭返航着陆阶段,质量约为27吨,箭高40米,相当于13层楼那么高,从80公里亚轨道飞回地球,经过3次发动机点火反推减速,从5倍客机速度降到客机巡航速度,再降到高铁速度,最终降至成人快走速度,这样一个圆柱体大家伙完全依靠全自动化从天而降,直至精准着陆。
猎鹰火箭是为了太空快递、轨道运输而生,采用两级火箭推进模式,一级火箭可以产生最大推力170万磅(770吨),通常能够飞到80公里高度,再由二级火箭接力推进,最终运送有效载荷进入预定轨道。 这期间,猎鹰9号一级火箭需要经过一系列复杂翻转操作,才能垂直降落在陆地着陆场或者海上回收平台。 

一级火箭垂直回收过程包括: 

• 两级分离——一般在80公里高度的亚轨道,一二级火箭分离,一级火箭降落滑行。

• 翻转——利用液氮喷气推进器进行飞行方向翻转,发动机一端朝向地球。

• 反推力——此时速度高达每小时4800公里(相当于普通客机巡航速度5倍多,接近4马赫),启动3个发动机,反推力减速。

• 展开栅格翼——减速到900公里/小时(相当于普通客机巡航速度),关闭发动机,栅格翼展开,利用升力减速、箭体姿态调整。

• 第二次点火——降速再次加速时,启动中心发动机,直到减速降落,再次关闭发动机。

• 转动栅格翼——利用栅格翼产生升力,调整飞行姿态。

• 第三次点火——距离着陆大约1公里时,一级火箭降落速度达到378公里/小时(相当于高铁时速),第三次也是最后一次点火反推,启动中心发动机,减速到8公里/小时(相当于成人快走的速度),展开着陆架,同时利用液氮推进器+栅格翼进行姿态微调。

• 垂直着陆——当发射升空大约8分钟左右,一级火箭实现精准着陆。海上回收平台面积相当于美式足球场大小,比标准足球场小一号。 

 

复用火箭有多难?

回收火箭只是路径,不是目的,重复使用才是目的。 SpaceX如何才能复用火箭?简单来说分为如下七步: 

• 一级火箭实现软着陆、整流罩安全回收(整流罩受控海面溅落打捞回收;二级火箭目前不能回收复用);

• 陆路运输至德州麦格雷戈火箭测试基地进行复查、翻新、测试;

• 对9台梅林发动机进行脱油清理,采用煤油+液氧作为推进剂的梅林发动机不可避免地产生老毛病:积碳问题,需要耗时耗力拆装涡轮机才能彻底清理干净;

• 需要对箭体本身、燃料罐/液氧罐、栅格翼、着陆腿、整流罩等硬件进行全面检查,包括X射线复检,试图发现潜在裂缝或者其他异常;

• 重新装配一级火箭,执行静态点火测试;

• 由火箭测试基地再次运抵发射场,一二级火箭+整流罩/有效载荷进行水平整合;

• 发射前执行一系列复检,视情况而定是否执行发射台静态点火测试。事实上每次试射都会不可避免地对发动机造成损耗,之后整装待发,瞄准再度发射升空。

 



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