火箭復(fù)用的極限在哪里？垂直回收的“姿勢”要正確！

重復(fù)使用是火箭發(fā)展必然趨勢

說起“重復(fù)使用”，大家往往會有一種既熟悉又陌生的感覺。說到“熟悉”，人們生活中用到的交通工具，汽車、輪船、飛機(jī)，哪一樣不是重復(fù)使用的，哪有用一次就扔的？說到“陌生”，以前對于運(yùn)載火箭還真是很少聽說重復(fù)使用，都是一次性，發(fā)射完都不知道掉哪里了。運(yùn)載火箭為什么是這樣的，那還得從運(yùn)載火箭的濫觴，大名鼎鼎的火箭公式說起。

獵鷹9號火箭實(shí)現(xiàn)第一級軟著陸

上個世紀(jì)初，隨著航空技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸發(fā)現(xiàn)大氣層是有邊界的，甚至估算出了大氣層的厚度。傳統(tǒng)的航空器，無論是依靠空氣浮力的氣球，還是依靠氣動升力的飛機(jī)，都不可能越出大氣層。

那有沒有讓人類越出大氣層的工具呢？由于地球是宇宙中的一個球體，通過對于基本力學(xué)知識的推導(dǎo)，可以知道如果一個物體的速度足夠快，那么它環(huán)繞地球運(yùn)動產(chǎn)生的離心力，就可以和地球?qū)λa(chǎn)生的萬有引力相平衡，那么就它就能夠脫離大氣層進(jìn)入環(huán)繞地球的軌道。這就是我們所熟知的7.8千米/秒第一宇宙速度。

這其中的關(guān)鍵就在于，如何使物體獲得這樣大的速度。這時偉大的火箭之父齊奧爾科夫斯基就出場了。他推導(dǎo)出了火箭公式，提出利用運(yùn)載火箭將物體送到環(huán)繞地球的軌道之上的可行路徑。

火箭公式的核心就在于將燃料變?yōu)槲矬w的速度增量。但是由于化學(xué)推進(jìn)劑本身的特性所限，火箭起飛質(zhì)量的絕大部分必須是推進(jìn)劑質(zhì)量，目前火箭的燃料通常要占到自重的80%~90%。我們所看到的火箭本體，甚至可以說就是一個推進(jìn)劑貯箱。在技術(shù)水平較為低下的時候，即便是一次性運(yùn)載火箭，也不能夠用如此輕的飛行器質(zhì)量，裝載如此多的推進(jìn)劑起飛，畢竟火箭飛行所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境要比普通飛機(jī)惡劣得多。

齊奧爾科夫斯基的偉大之處在于，他僅僅通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，就提出了多級火箭的概念，為人們用較為低下的技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)航天飛行奠定了基礎(chǔ)。因?yàn)槭褂枚嗉壔鸺梢灾鸫螌⒁徊糠钟霉饬送七M(jìn)劑的火箭子級拋棄，進(jìn)而保證最終的有效載荷能夠獲得足夠的速度增量。

齊奧爾科夫基當(dāng)年畫的火箭原理設(shè)想圖

液體火箭一般只需要兩級就可以進(jìn)入近地軌道，而固體火箭一般需要三級、甚至四級，這是因?yàn)楣腆w火箭推進(jìn)劑的比沖較低的緣故。而為了實(shí)現(xiàn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射，目前國際上主流火箭一般采用三級或兩級半構(gòu)型。比如美國的“德爾它”“宇宙神”，俄羅斯的“安加拉”“質(zhì)子”，歐空局的“阿里安”，中國的長征三號甲系列運(yùn)載火箭等。

而重復(fù)使用的要求，往往意味著需要付出更多的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，比如需要加裝著陸回收裝置、結(jié)構(gòu)增厚加強(qiáng)以應(yīng)對重復(fù)多次的飛行載荷等。在這種形勢下，早期的運(yùn)載火箭必然是多級的一次性運(yùn)載火箭。

但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量可以變得越來越輕，同時強(qiáng)度越來越高，那么運(yùn)載火箭的演進(jìn)趨勢也就確定了，那就是由多級向單級，由一次性使用向重復(fù)使用，由部分重復(fù)使用向完全重復(fù)使用發(fā)展。

目前，“獵鷹9號”可以說是最為先進(jìn)的運(yùn)載火箭。這里有兩個方面的原因：一方面是因?yàn)樗鞘忻嫔虾币姷目蛇m應(yīng)主流地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)載荷的兩級串聯(lián)、且不用氫氧動力的火箭。這說明“獵鷹9”在結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、發(fā)動機(jī)綜合性能方面已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。另一方面就是因?yàn)椤矮C鷹9”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分重復(fù)使用，且重復(fù)使用率達(dá)到了80%。

垂直回收提高了重復(fù)使用能力

自從一次性運(yùn)載火箭技術(shù)成熟之后，人類就開始向著可重復(fù)使用這個目標(biāo)邁進(jìn)了。為了這個目標(biāo)，人類進(jìn)行了頗多的嘗試，提出了各種各樣的技術(shù)路徑。

土星1號火箭是美國對重復(fù)使用運(yùn)載器概念的最早嘗試。在20世紀(jì)60年代，美國宇航局嘗試使用滑翔傘翼對土星1號火箭一級進(jìn)行回收，力圖實(shí)現(xiàn)自主著陸，因當(dāng)時著陸技術(shù)不太成熟，致使該方案只停留在縮比試驗(yàn)階段。上世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)也曾嘗試通過傘降回收小型氣象火箭，并取得成功。在經(jīng)過簡單修復(fù)后，小火箭實(shí)現(xiàn)了二次飛行。

1977年，美國的航天飛機(jī)通過垂直起飛、水平降落的方式首次實(shí)現(xiàn)載人試飛，而航天飛機(jī)所使用的兩枚固體火箭助推器則通過降落傘減速后濺落在海面上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)回收重復(fù)使用。進(jìn)入21世紀(jì)，太空探索技術(shù)公司的獵鷹系列火箭和“藍(lán)色起源”的新謝潑德火箭均通過垂直發(fā)射、垂直回收的方式實(shí)現(xiàn)了火箭的回收重復(fù)使用。

阿特蘭蒂斯號航天飛機(jī)

除此以外，人們還對于完全可重復(fù)使用的單級入軌飛行器進(jìn)行了多次探索。1986年美國提出研制以吸氣式發(fā)動機(jī)為動力的國家空天飛機(jī)（NASP），但由于該項(xiàng)目研制費(fèi)用過高，技術(shù)難度太大，被迫于1994年停止。1996年，美國再次決定開發(fā)火箭動力單級入軌飛行器“冒險星”的縮比試驗(yàn)飛行器X-33，同樣因?yàn)榧夹g(shù)難度大，計劃超期，于2001年宣布放棄。

可重復(fù)使用運(yùn)載系統(tǒng)按照起降方式的差異性，可分為3種方式。

第一種方式，水平起飛/水平回收。

水平起飛/水平回收的運(yùn)載系統(tǒng)的動力形式一般為吸氣式組合動力。吸氣式組合動力可以在不同的飛行高度和馬赫數(shù)條件下啟用最優(yōu)的工作模式，達(dá)到最佳的加速和巡航要求，能夠充分利用大氣中的氧減輕自身的起飛重量，成為未來最有前途的動力系統(tǒng)。在20世紀(jì)90年代各國吸氣式動力的單級入軌空天飛機(jī)計劃因技術(shù)難度較大而夭折后，各國都采取了比較務(wù)實(shí)的做法，先發(fā)展較為成熟的火箭動力，后發(fā)展技術(shù)難度更大的吸氣式組合動力。

第二種方式，垂直起飛/水平回收。對于火箭動力的兩級入軌可重復(fù)使用火箭而言，采用垂直發(fā)射方式，起飛和飛行時主要承受軸向載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，同時垂直起飛能夠快速穿越大氣層，氣動阻力損失小。翼身組合體式氣動外形可采用水平降落的模式，利用大氣阻力進(jìn)行著陸前減速，但是飛行中氣動阻力和氣動加熱比垂直降落大，需要在機(jī)翼和機(jī)身部位采取防熱措施，另外水平著陸還需要較長的跑道進(jìn)行滑跑減速，氣動、控制、熱防護(hù)等方面技術(shù)難度較大，著陸跑道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)周期較長。水平返回的帶翼重復(fù)使用運(yùn)載器具備優(yōu)異的高超聲速飛行能力和快速響應(yīng)能力。

垂直起飛/水平回收的典型代表是美國的航天飛機(jī)。它是往返于地面和近地軌道之間運(yùn)送人和有效載荷的飛行器，兼具載人航天器和運(yùn)載器功能，并按飛機(jī)方式著陸的航天系統(tǒng)。由于航天飛機(jī)過于復(fù)雜，載人兼運(yùn)貨，操作效率低，每年飛行次數(shù)不到10次，相反成為了運(yùn)行費(fèi)用昂貴的飛行器，實(shí)踐證明它在經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性方面都未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。2011年7月，美國航天飛機(jī)完成第135次任務(wù)后正式退役。統(tǒng)計顯示，航天飛機(jī)計劃共計花費(fèi)1960億美元，其中每架航天飛機(jī)的造價約為120億美元，單次發(fā)射的費(fèi)用約為4.5億美元（超預(yù)算近10倍）。

第三種方式，垂直起飛/垂直回收。

火箭采用旋成體氣動外形，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，一般采用垂直降落方式，用于著陸的結(jié)構(gòu)附加重量較小，相比于水平降落方式，氣動、控制、熱防護(hù)技術(shù)難度較小，但是要求發(fā)動機(jī)具備大范圍推力調(diào)節(jié)能力，同時需要預(yù)留推進(jìn)劑減速，損失部分運(yùn)載能力。

垂直起飛/垂直回收的典型代表是太空探索技術(shù)公司的獵鷹系列火箭和藍(lán)色起源公司的新謝潑德火箭。兩者均已多次實(shí)現(xiàn)火箭的回收復(fù)用，充分驗(yàn)證了技術(shù)的成熟度。同時，火箭的使用成本也大幅下降。按照埃隆·馬斯克的說法，第一級火箭回收復(fù)用可以在現(xiàn)有成本的基礎(chǔ)上再降低70%成本。

藍(lán)色起源公司新謝潑

德亞軌道飛行器

綜上所述，水平起飛/水平降落技術(shù)難度較大，短期內(nèi)難以具備工程應(yīng)用能力；垂直起飛/水平降落雖然具備工程實(shí)踐的條件，但是使用維護(hù)成本高，運(yùn)營主體通常難以承受；垂直起飛/垂直降落不用改變火箭構(gòu)型，技術(shù)難度相對較小，真正實(shí)現(xiàn)了火箭發(fā)射成本的降低，成為目前最受青睞的重復(fù)使用技術(shù)路線。

可重復(fù)使用飛行器的壽命如何度量

在討論可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的重復(fù)使用次數(shù)極限，也就是壽命極限之前，我們首先需要了解可重復(fù)使用運(yùn)載火箭壽命的影響因素。根據(jù)影響因素的不同，可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的壽命可以分為設(shè)計壽命、經(jīng)濟(jì)壽命和技術(shù)壽命3種。經(jīng)濟(jì)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計壽命，技術(shù)壽命和經(jīng)濟(jì)壽命則取決于二者各自的成本，通常是成本高的一方讓位于成本低的一方。

2018年2月7日獵鷹重型火箭成功將櫻桃色的特斯拉跑車送入深空軌道，2枚助推成功落船回收

設(shè)計壽命是指可重復(fù)使用運(yùn)載火箭從全新狀態(tài)開始使用直到主要設(shè)備故障，火箭不能發(fā)射使用所經(jīng)歷的時間。比如著陸支架沖擊失效、箭體老化開裂、發(fā)動機(jī)冷卻管道結(jié)焦超標(biāo)、渦輪泵疲勞開裂等等，都將使得運(yùn)載火箭不再能夠使用。

技術(shù)壽命是指可重復(fù)使用運(yùn)載火箭開始使用到因技術(shù)落后而被淘汰所經(jīng)歷的時間。技術(shù)進(jìn)步將會引起原有火箭型號使用時間縮短而提前退役，比如新的火箭由于采用某些技術(shù)革新，單發(fā)運(yùn)載能力更高，可以獲得更高的市場收益，那么舊型號火箭的壽命自然縮短。

就拿獵鷹9號運(yùn)載火箭來說吧，其按照技術(shù)迭代目前可以分為3代，代號分別為v1.0、v1.1和v1.2，v1.2還可細(xì)分為Block3~5三個版本。從v1.1開始，太空探索技術(shù)公司進(jìn)行了一級垂直回收試驗(yàn)，并在v1.2 Block3的F21和F23分別取得首次陸上、海上回收成功。而F55是v1.2 Block5構(gòu)型的首飛，一子級從編號B1046開始。Block5之前的版本，即使取得了可重復(fù)使用能力，也從來沒有使用超過兩次的記錄，它們已經(jīng)因?yàn)榧夹g(shù)落后自然淘汰，結(jié)束了其技術(shù)壽命。

經(jīng)濟(jì)壽命是指可重復(fù)使用運(yùn)載火箭最經(jīng)濟(jì)的使用期限，即其使用期限是基于使用成本最低或經(jīng)濟(jì)效益最高的評價標(biāo)準(zhǔn)而決定的?？芍貜?fù)使用運(yùn)載火箭隨著使用次數(shù)的增加，其主要部件的性能將逐漸退化。在其壽命的末期，因檢修到的故障頻繁而引起的維修費(fèi)用急劇增加?？芍貜?fù)使用運(yùn)載火箭投入使用之后，使用的時間越長，每年分?jǐn)偟慕ㄔ斐杀驹缴伲看蔚谋ｐB(yǎng)和操作費(fèi)用卻越多。在最適宜的使用次數(shù)內(nèi)火箭平均每次的發(fā)射費(fèi)用最低，這就是經(jīng)濟(jì)壽命。

如果只是突破了可重復(fù)使用技術(shù)，但經(jīng)濟(jì)方面不合算的話，將難以長久實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。例如航天飛機(jī)，雖然技術(shù)先進(jìn)，但每次回收之后的維修發(fā)射成本大大超出預(yù)期。最初預(yù)計僅有3000多萬美元，但實(shí)際成本達(dá)到4億~5億美元，這成為航天飛機(jī)難以維持的重要原因。

目前所討論的獵鷹9號運(yùn)載火箭重復(fù)使用次數(shù)極限，主要是由其經(jīng)濟(jì)壽命決定的。

可重復(fù)使用火箭 壽命極限的探索

要掌握一種運(yùn)輸工具精確可信的經(jīng)濟(jì)壽命，就必須進(jìn)行大樣本量的統(tǒng)計，建立精確的預(yù)測模型。這樣，生產(chǎn)廠家才能確定使用多少次后需要進(jìn)行保養(yǎng)，多少次后需要大修，多少次后應(yīng)該報廢，就像我們熟知的轎車一樣。其實(shí)飛機(jī)也是一樣，例如空客320飛行600小時需要進(jìn)行一次A檢，飛行18個月就要進(jìn)行一次大費(fèi)周章的C檢，基本上要全部拆開檢查，修理時長可能長達(dá)20~60天。

而目前獵鷹9號運(yùn)載火箭尚未達(dá)到這樣的樣本水平。對于其經(jīng)濟(jì)壽命極限，太空探索技術(shù)公司還在不斷的探索當(dāng)中。盡管馬斯克曾經(jīng)聲稱，獵鷹9號火箭回收10次以內(nèi)，可以不經(jīng)維護(hù)直接重新加注推進(jìn)劑使用，就像其第一枚成功回收的助推器那樣。但從實(shí)際的同一助推器復(fù)用時間間隔來看，目前最短間隔時間38天，最長619天，平均值167天，連1個月內(nèi)復(fù)用的情況都尚未出現(xiàn)，這說明太空探索技術(shù)公司在利用這段時間對回收的助推器進(jìn)行深入的檢查和測試。只有盡可能詳細(xì)地了解各個部件的性能退化情況，才能更快地建立精確的壽命模型和操作規(guī)范。一種經(jīng)濟(jì)的重復(fù)使用火箭，必然不是每次飛回來之后都要大卸八塊，對每個部分都進(jìn)行仔細(xì)的檢查，有些許瑕疵就不敢再次使用。

獵鷹9號火箭回收失敗，一級落入海中

2020年2月初，太空探索技術(shù)公司的一位工程師透露，他們已經(jīng)成立了類似于民航客機(jī)檢修的箭體翻新小組。在翻新過程中，需要檢查連接部位和焊縫，并確保所有的航電設(shè)備都工作正常。目前檢修工作要求非常細(xì)致，耗時需要1個月，團(tuán)隊(duì)還在實(shí)踐中摸索。這說明真正意義上的快速檢測、復(fù)用仍處于研究與試驗(yàn)中。

在廠房中進(jìn)行翻修檢查的B1051.7助推器

2020年3月18日，第6批星鏈組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，首次使用了五手一級箭體，但在一級飛行末段，外圍的1臺發(fā)動機(jī)發(fā)生故障，一級回收也出現(xiàn)問題未能夠成功著船。在發(fā)射前夕，總裁兼首席運(yùn)營官肖特維爾表示，公司不再對獵鷹9號火箭一級進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，同時不打算復(fù)用一級超過10次以上。

這樣看來，如果太空探索技術(shù)公司不再對獵鷹9號火箭一級進(jìn)行技術(shù)升級，可能它的重復(fù)使用極限就會被限制到10次了。

我們知道，獵鷹9號火箭之所以能夠獲得重復(fù)使用上的突破，很大程度上在于太空探索技術(shù)公司需要用這一殺手锏大幅壓低發(fā)射成本，進(jìn)而獲得商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場上的絕對優(yōu)勢?？梢粤舷耄绻行碌膶κ殖霈F(xiàn)，在強(qiáng)有力的競爭下，重復(fù)使用火箭技術(shù)將繼續(xù)獲得推動，其壽命極限也將得以繼續(xù)提高。