火箭：从消耗品到耐用品
文/赵洋
十五层楼高的火箭向地面坠落下来，减摇鳍剧烈地震动着，尾喷口不断喷出炽热的火焰以保持火箭稳定。看起来这像是要注定奔向坠毁的一次飞行，但当火箭接近地表，发动机推力骤然增强，火箭的下落速度明显放缓，砰的一声，登陆支架从火箭尾部弹出。随着滚滚浓烟散尽，火箭稳稳地直立落在地面，完好无损。
直到十年前，上述场景还只是科幻电影中的画面。但在经历了数次失败之后，美国民营火箭制造商SpaceX公司在过去半年里四次回收了运载火箭——第一次是2015年12月在佛罗里达州卡纳维拉尔角回收的，最近一次是今年4月首次在大西洋中部的遥控驳船上回收的。而这些并不是试验专用的火箭，而是刚刚将商用航天飞船发射入轨道的“猎鹰9号”火箭的46米长的第一级火箭。通过将返回的火箭进行翻新和再利用，SpaceX公司的创始人、亿万富翁埃隆·马斯克希望最终能使火箭像商业航空飞行一样经济。他认为，既然民用客机不会在每次飞行后被扔掉，那么为什么运载火箭就不行呢？
火箭重复使用好在哪儿？
自从1944年**德国向伦敦发射V-2火箭以来，绝大多数运载火箭都是一次性使用的。发送1千克物体上太空的成本在1万到2万美元之间，用一次扔一次的使用方式使得航天发射成本居高不下。以SpaceX公司的“猎鹰9号”火箭为例，其总造价为5000万美元，而火箭燃料的成本只有20万美元，仅占火箭成本的0.4%。因此，SpaceX公司一直在研究如何回收以及重复使用运载火箭的有关技术，以大大降低航天发射成本。如果能回收并重复使用火箭的第一级，将可降低火箭成本80%；而如果第二级也能回收并重复使用，则可降低火箭成本99%。
所以，火箭可重复使用带来的第一大优势就是大大降低了发射成本。上面提到的只是火箭制造成本。开发和研制一种火箭发动机同样花费不菲，需要做大量的地面试车工作。如果能够开发出可多次使用的火箭发动机，就可以节省大量费用。此外，火箭发动机如果是小批量生产，每一小批量都需要进行一定百分比的抽检试验，这需要耗费相当的人力、物力和时间；而可回收的发动机，一次抽检、一次验证，便能多次使用，可以降低抽检次数。当使用次数达到一定数量后，每次重复使用火箭发动机的检修费用就会低于抽检费用，这将会达到节约成本的目的。
第二大优势是安全。通过开发可重复使用技术也可提升火箭发射的可靠性，并降低风险。考虑到工艺稳定性、技术成熟度等多方面因素，新研制的火箭本身就存在一定的风险。然而，对可回收的火箭发动机而言，它已经有过多次飞行验证，具备较高的技术成熟度，这在一定程度上提高了发射可靠性。
第三大优势是缩短火箭发射周期。随着探索太空的步伐加快，航天发射市场的需求也在不断扩大，火箭发射也将越来越频繁。传统的运载火箭，即使是成熟的型号，从接到订单到备料生产，到抽检试验、最后发射，整个过程大约需要一年半的时间，这已经难以满足快速扩张的市场需求。而可回收的火箭，只需经过短时的检测、维修、组装，就能再次投入使用，这将大大缩短火箭生产周期，从而提高市场反应能力。
最后，可回收火箭能够从根本上解决火箭残骸坠落问题。火箭残骸落地是各国进行航天发射时都要面临的问题，对火箭残骸的落点进行更为精确的控制，一直是科研人员不断努力的方向。而可回收火箭在完成发射任务后受控降落，将会一劳永逸地解决火箭残骸坠落的问题。
从科幻到现实
1930年4月，一群为雨果·根斯巴克创办的《科学奇异故事》杂志投稿的作者聚集在一起，促成了美国火箭协会的诞生。1931年初，杂志创始人大卫·拉瑟在博物馆安排了一次公共聚会，主题为“火箭登月”。这次聚会最吸引人之处是安排放映了英文版的《月亮上的姑娘》。拉瑟把该片的爱情镜头剪辑掉，将它宣传为“表现了一枚幻想的但在科学上可实现的火箭的真实登月过程”。影片中的火箭就是一枚在地球上点火发射、又在月球上再次点火降落的可重复使用火箭。历史学家认为，该协会为美国火箭工业后来的发展打下了牢固的基础。
其实，早在20世纪20、30年代，人们就认为火箭应该是可重复使用的。当时的美国科幻漫画如《巴克·罗杰斯》和《飞侠哥顿》中已经提出这个想法，里面的每一艘飞船、每一枚火箭都是可以反复使用的。
第二次世界大战结束后，被俘的德国火箭科学家透露，他们曾计划建造一架亚轨道太空飞机，**希望利用这架代号为“银鸟”的空天轰炸机轰炸美国，不过这个计划后来并未实现。“银鸟”有一个特别的设计，它的形状像一个翅膀，因此有助于产生气动升力。1958年，美国空军开始利用这一想法设计一种可回收的羽翼形状的太空飞船，但由于登月计划的出现，这架代号为“X-20 Dyna-Soar”的飞船遭到了搁置。
阿波罗登月计划成功后，美国国家航空航天局重新开始了其念念不忘的计划：打造可重复使用的、有翼的太空飞机——航天飞机。之后打造的五架航天飞机，平均每架进行了27次飞行任务。然而，在使用过程中，航天飞机暴露出系统复杂、每次飞行后维修费用高昂的弊端；再加上可靠性问题，这些都影响了航天飞机的使用价值。因此，在经历了三十年一百多次飞行后，美国决定终止航天飞机项目。不过，这并不意味着可重复使用的航天器过时了，也许恰恰相反，它超越了当时那个时代。
航天飞机的一个弊端是每次发射中间都需要进行翻新，SpaceX公司的可回收火箭也必须如此。尽管SpaceX已经成功回收了火箭，但是他们尚未对回收的火箭进行再次发射。这才是他们面临的真正考验。如果可以重新使用火箭的所有部件，下一次发射就省钱了。但如果把火箭完全拆开进行翻修，那么相当于每次发射都重新造了一枚火箭。
早在20世纪90年代末，麦道公司就开始用“三角快帆”飞行器试验动力反推垂直下降技术。“三角快帆”是世界上第一种以火箭发动机为动力、垂直起降的完全重复使用运载器。它进行了四次飞行试验，最大飞行高度3155米，然后像直升机一样，用四台小发动机反推减速，最终达到平稳着陆的目的。后来由于在第四次飞行试验中“三角快帆”被烧毁，该计划提前结束。不过，“三角快帆”的垂直起降试验表明，火箭采用动力反推垂直下降技术是可行的。然而，要实现运载火箭的垂直起降需要攻克四大关键技术。
火箭回收四大难题
“猎鹰9号”一级火箭高达46米，重心很高，要在风浪很大的平台上站稳很不容易。在海上回收火箭的难度，相当于在暴风雨中让一根扫帚平稳地直立在手掌上。SpaceX海上平台的面积是50米×70米，火箭着陆时，四个支架的展开半径有23米左右，偏离一点就失败了。
要完成如此高精度、高难度的火箭回收，需攻克四项关键技术：
一是控制好火箭姿态和落点精度。与航天飞机水平着陆不同，火箭回收是垂直着陆。火箭要以垂直的姿态降落，必须解决姿态控制问题，而越是竖长的物体，就越难以控制。火箭造型细长，落地姿态不正就容易倒下。因此，需要解决大长径比的发动机垂直降落的姿态控制、支撑结构设计等一系列难题。
二是火箭发动机推力可调、可多次启动。火箭回收时要点火反推，这个克服重力的过程不断消耗燃料，火箭总质量也不断变化。这就需要发动机推力可以调节，当质量下降时，推力要同步减小，否则火箭容易向上翻滚。在回收过程中，火箭发动机要在推力和方向上不断地调节和调整来进行精确控制，使下落速度从最初的每秒3000米降到最终的每秒2米。这对燃烧室、涡轮泵、阀门等各组件的要求都很高。
三是克服再入隔热技术，需要研制一种新型隔热复合材料。由于有“阿波罗”登月舱等技术作为基础，使得一级火箭的垂直返回回收技术难度相对较小。未来要做到二级火箭回收，将面临更加严酷的气动热环境。
四是着陆支架技术。接触着陆平台后，还需着陆架进一步缓冲和减少震动。
火箭的重复使用，对火箭发动机核心部件的性能和寿命提出了更高要求。目前，火箭发动机的设计寿命、试车时间都是以秒为单位计算。对于火箭来说，保证材料和相关设计在短时间顶得住是一个问题，确保延长使用寿命又是另外一个问题。航天飞机的主发动机的燃烧室压强高达207个大气压，燃烧室的工作温度约为3300℃。目前最先进的涡扇发动机涡轮温度不到1700℃，其中一个小小的涡轮泵的功率就是目前最先进的主战坦克发动机功率的数十倍。让这样的发动机顺利工作一次（几百秒）就已经非常困难，而要重复使用多次，材料和工艺都必须要有巨大的飞跃。
一级火箭成功回收只是一个开始，仅仅意味着这项技术具有可行性，想要真正掌握这一技术，还需要通过多次试验验证其可靠性。若要验证火箭的发动机是否可以重复使用，还要进一步验证回收二级火箭的可行性。因此，虽然试验取得成功，但技术成熟至少还需3到5年。SpaceX接下来将进行多次回收火箭的点火实验，检测其发动机、箭体结构和电气设备能否重复使用，再将其发射升空并回收。如此反复多次，才能使一级火箭回收与重复使用技术成熟起来。
回收能力大比拼
其实，“猎鹰9号”火箭并非第一枚成功回收的火箭，而是第一枚成功实现回收的轨道运载火箭。因为2015年11月24日，亚马逊创始人杰夫·贝索斯旗下的“蓝色起源”太空公司成功将“新谢泼德号”火箭发射到约100千米的高度，火箭随后又成功返回发射场。这是全球第一枚发射升空后又完好无损返回地面的火箭。不仅如此，蓝色起源公司还于2016年1月把回收的火箭再次发射并令其成功在陆地上软着陆。
要分析两者孰优孰劣，看看火箭参数就十分清楚了。“新谢泼德号”火箭属于单级运载火箭，发动机推力为50吨级。这意味着这款火箭的质量并不大，属于迷你型火箭。SpaceX公司的“猎鹰9号”是两级运载火箭，起飞质量约500吨，相当于新谢泼德火箭的10倍。“猎鹰9号”目前回收的是第一级火箭，第二级还没有回收；“新谢泼德号”火箭返回的是整体，这是两者的根本区别。在设计方面，“猎鹰9号”火箭第一级分离后进入滑翔状态，然后再掉转方向尾部朝下返回地面。
而且，这两种火箭的用途并不相同，在商业上没有竞争关系。蓝色起源公司开发“新谢泼德”火箭的目的非常明确，就是抢占亚轨道的旅游市场，该公司的竞争对手不是SpaceX公司，而是诸如维珍银河这样的亚轨道旅游公司。维珍银河也有亚轨道旅游方案，只不过是用安装火箭发动机的飞机，不是运载火箭，蓝色起源公司则用火箭做旅游载具。火箭发射时的推背感和飞机从跑道上起飞的感觉是不一样的。
“猎鹰9号”火箭的目标是将有效荷载运送到近地轨道，无论飞行高度还是速度都和进行亚轨道发射的运载火箭不是一个量级。而且“猎鹰9号”火箭第一级的长径比远远大于“新谢泼德号”火箭，其控制难度更大，回收难度也更大。
未来的冲击
重复使用将是未来运载火箭发展的一个趋势，无论在商业上还是在军事上都有潜在的价值。除了美国，欧洲、日本、印度都在对相关技术进行预研。2015年1月5日，法国宣布已开始与德国等国开展小型技术研究项目，研制以液氧/甲烷为燃料的可重复使用火箭。2015年4月，与美国军方关系密切的航天公司“美国发射联盟”公布了名为“火神”的新一代军用运载火箭的设计，预计将在2024年后达到实用水平。
目前，我国的火箭可重复使用技术仍然处于探索阶段。最新的消息是，2015年11月，中国运载火箭技术研究院成功完成火箭子级回收群伞空投试验，离实现火箭可重复使用又近了一步。
火箭的重复使用，将给卫星产业带来革命性变化。因为发射费用很便宜，如果卫星坏了，再发射一颗填补空缺便是。这就意味着我们能设计比现在便宜得多的卫星，而不必再花费大量资金来确保卫星长时间稳定工作。
从长远看，可重复使用火箭的普及会加速人类进入太空的步伐。目前，载人航天最大的障碍就是成本过高，限制了进入太空的人数。如果可重复使用航天技术取得了实用性进展，未来普通人也有机会进入太空游玩和工作。
一百多年前，当飞机问世的时候，乘飞机旅行只是少数人的权利。当年谁会想到，飞机会成为城市间平凡的交通工具？同理，今天乘火箭飞向太空还是宇航员的专利，但谁又敢说，未来的某一天，火箭不会成为普通人太空出行的普遍工具？到那一天，火箭也许就像飞机一样，可以重复使用许多年。
【责任编辑：杨枫】