SpaceX成功發(fā)射并回收火箭顛覆航天業(yè)，馬斯克如何做到？

馬斯克的獵鷹9號火箭升級到了1.1版本，開始進(jìn)行真實(shí)的回收試驗，他每次都搞“搭便車”。也就是發(fā)射客戶的載荷以后，一級火箭辦完了正事兒以后，還有余力，那就多帶一點(diǎn)燃料來做回收試驗。

你想啊，火箭如果從卡納維拉爾角發(fā)射的話，肯定是朝著東邊打，東邊是海?；鸺叩慕咏鼟佄锞€，等一級火箭快燒光了，這時候一級火箭的速度沒有達(dá)到第一宇宙速度，就在這個時候，一級和二級分離，二級火箭加把力氣，再推一把，把載荷加速到第一宇宙速度，進(jìn)入預(yù)定的軌道。

一級火箭呢這時候已經(jīng)完成任務(wù)了，速度也沒達(dá)到第一宇宙速度，所以一級火箭還是會走拋物線彈道，落進(jìn)大西洋。馬斯克搞火箭回收試驗，就需要在預(yù)定的落點(diǎn)放一艘平板大船，在那兒等著。一級火箭需要做的就是調(diào)整自己的姿態(tài)，屁股朝前，張開柵格舵，精確調(diào)整自己的彈道，千萬別落歪了。

等到了合適的時機(jī)，發(fā)動機(jī)再次點(diǎn)火。利用剩余的燃料，開始反推減速。一臺梅林1D發(fā)動機(jī)的推力是提高到了67噸?；鸺目諝ぷ悠鋵?shí)沒多重。所以，9臺發(fā)動機(jī)只開一臺都嫌多，必須把油門開小。而且回收過程之中，火箭剩余的燃料也是越燒越少，整體重量越來越輕，發(fā)動機(jī)必須跟著變，精確控制能力也是至關(guān)重要的。

到最后，火箭已經(jīng)很輕了，發(fā)動機(jī)推力要控制在只比重量小一點(diǎn)，火箭可以緩緩地降落在平板大船上。但是說起來容易，實(shí)際做起來卻非常的難，因為稍有差池就完不成回收。比如說歪個幾十米，火箭就掉水里了。即便是對準(zhǔn)了平板大船，下來的時候細(xì)長的火箭不垂直，稍微歪一點(diǎn)，結(jié)果就沒站住，最后摔在平板大船上，或者速度控制不好，直接砸壞了大船，早期這種事兒也沒少發(fā)生。

2015年的4月份，獵鷹9號的回收試驗就是這種情況，火箭歪了，最后倒在了船上爆炸了。所以馬斯克領(lǐng)著手下的工程師們就盼望著下一次回收試驗，火箭能穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)卣驹诖稀?/p>

下一次是6月28號，獵鷹9號發(fā)射龍飛船。這一次出動的平板大船是“我依然愛你如故”號，這艘船上的工程師們左等火箭不來，右等火箭還是不來，后來才知道。哪知道，這一次根本沒有任何做回收實(shí)驗的機(jī)會，獵鷹9號火箭升空以后3分鐘就炸了，萬幸的是龍飛船馬上和火箭分離，開降落傘落在水里，里面運(yùn)的貨物沒什么大的損失。

SpaceX自己當(dāng)然是展開了調(diào)查，他們認(rèn)為是外包廠家做的火箭二級液氧儲箱氦氣瓶支架螺栓不合格，導(dǎo)致氦氣瓶泄露，液氧儲箱壓力過大而破裂。NASA調(diào)查了足足3年才給出了報告，他們認(rèn)為不僅僅是外包廠家的問題，而是SpaceX發(fā)包的時候是按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選用了螺栓，而不是按照航天標(biāo)準(zhǔn)下達(dá)的要求，你要什么樣的貨，人家就給你造什么樣的，這事兒怪不得別人。

針對這個缺陷，SpaceX很容易采取補(bǔ)救措施，但是，這個思維方式是改不了的，因為用便宜的工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，而不用昂貴的航天級標(biāo)準(zhǔn)，這是SpaceX的既定方針。

獵鷹9號全推力版

馬斯克他們足足憋了半年多沒有再發(fā)火箭。他們的特點(diǎn)就是快速迭代。獵鷹9號全推力版本正式亮相了，長度已經(jīng)拉長到了70米，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到了22.8噸。我們的長征5B運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力是25噸。也就是說，獵鷹9號的運(yùn)載能力已經(jīng)接近長征5B這種大火箭了。人家全推力版本起飛重量是550噸，長征5B是八百多噸，我們的火箭比人家大好多，但是近地軌道的運(yùn)送能力大不了多少。這就是因為獵鷹9號在減輕自身重量上下了死功夫。我們的火箭設(shè)計方案并沒有那么激進(jìn)。

不過呢，長征5B是一級入軌，沒有第二級，獵鷹火箭是有第二級的，獵鷹9號的第二級只有一臺真空版梅林發(fā)動機(jī)，相對弱一點(diǎn)，所以如果是打GTO軌道，也就是同步轉(zhuǎn)移軌道，只能打8.3噸，而長征5號能打14.5噸。

梅林1D發(fā)動機(jī)也進(jìn)行了改進(jìn)升級，推力可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，甚至可以超水平發(fā)揮，推力達(dá)到額定值的110%，也就是86噸。假如獵鷹火箭的9個發(fā)動機(jī)有一兩個熄火了，沒關(guān)系，其他發(fā)動機(jī)超水平發(fā)揮，也照樣把載荷送進(jìn)軌道。

梅林1D發(fā)動機(jī)

你別說，SpaceX的迭代速度是真的厲害，當(dāng)年梅林發(fā)動機(jī)是一個稀松平常的弱雞，推力也就30多噸?，F(xiàn)在經(jīng)過一次次升級，不但推重比空前絕后，達(dá)到了190，比沖已經(jīng)接近分級燃燒的發(fā)動機(jī)，推力居然上升了將近3倍，達(dá)到86噸。全世界哪個火箭發(fā)動機(jī)也沒有這種脫胎換骨一般的變化。

獵鷹9號全推力版本還有一些其他改進(jìn)，比如安裝了回收用的支撐腿，也為載人龍飛船留下了接口。當(dāng)時美國已經(jīng)沒有了載人航天能力，要去國際空間站必須搭人家俄羅斯的聯(lián)盟號，別提多不爽了。NASA給SpaceX開出的要求是等到貨運(yùn)版龍飛船穩(wěn)定下來了，性能良好，那就可以升級成載人的版本。NASA還是比較穩(wěn)妥的，不像馬斯克那么激進(jìn)。

到了2015年的年底，新的實(shí)驗機(jī)會來了，首先這次發(fā)射的載荷質(zhì)量比較小，一共是11顆立方星，總重量只有1.9噸重。對于全推力版獵鷹火箭來講，這點(diǎn)載荷真的不算什么。那么也就是說，可以留出不少燃料搞回收試驗。馬斯克和工程師們算計了一下，燃料足夠一級火箭倒飛回發(fā)射場，就不要在大西洋里的平板大船上著陸了，這下可以避免很多不必要的麻煩。比如海上的大風(fēng)，船只的晃動。

當(dāng)然，工程師們很仔細(xì)地檢查了所有的環(huán)節(jié)，特別是一二級之間的分離機(jī)構(gòu)。過去，火箭的分離喜歡用爆炸螺栓。但是獵鷹9號的一級火箭是要重復(fù)使用的，不能一炸了事，要采用能夠重復(fù)鎖閉的裝置。燃料也要重新調(diào)整配比。

獵鷹9號 flight 20發(fā)射/回收的長曝拼接照片

這次發(fā)射經(jīng)過多次延期，一直拖到了12月21號，晚上8點(diǎn)半。火箭發(fā)射其實(shí)是非?？斓模瑤追昼娨院?，火箭的一級就和二級分離了，上面該干什么干什么去?；鸺牡谝患夐_始返回試驗。這一次是返回發(fā)射場，所以空中要兜個圈子，掉頭180度。

馬斯克的粉絲多啊，卡納維拉爾角附近到處都聚集著觀看火箭發(fā)射的人群。估計能有10萬人吧，在網(wǎng)上看直播的人更是難以計數(shù)。大家眼睜睜地看著這個火箭劃出半個拋物線，然后一扭頭原路返回。一級火箭順利地逆風(fēng)點(diǎn)火，開發(fā)動機(jī)反推，到了靠近地面的地方，支撐腿完全伸開，火箭緩緩的落在了著陸場上，穩(wěn)穩(wěn)的站住。大家爆發(fā)出海嘯一般的歡呼聲。SpaceX終于創(chuàng)造了歷史，人類第一次在實(shí)際發(fā)射過程中，垂直回收的一級火箭獲得成功。

獵鷹9號第一次陸上回收成功

不過呢，從實(shí)驗角度來講，還有大量的數(shù)據(jù)要去分析。最后大家得出一個結(jié)論，如果要讓火箭的第一級倒飛回到發(fā)射場，要預(yù)留15.3~17.1%的燃料，運(yùn)力損失在53~57%之間。如果是不回頭，走拋物線落在海上的平板大船上，那么只要預(yù)留7%的燃料，運(yùn)載能力損失29%，相對來講，還是可以接受的。

所以，還是在海上回收更劃算。在平板大船上回收成功是必修課。2016年的1月份，要從加州范登堡發(fā)射Jason-3海洋觀察衛(wèi)星，馬斯克還剩下最后一顆獵鷹9號1.1基礎(chǔ)版，就用這顆火箭發(fā)射吧。這一次火箭是在海上回收，平板大船又出動了。這一次火箭倒是準(zhǔn)確的落到了船上，但是4條著陸支撐腿有1條沒鎖定，火箭最后還是摔倒了，最后導(dǎo)致了爆炸。就差這最后一哆嗦了，還是沒站住。

沒關(guān)系，后面還有一次發(fā)射任務(wù)，還可以做實(shí)驗。這一次要發(fā)射的是一個同步衛(wèi)星，代號SES-9，足有5噸重，需要打進(jìn)同步轉(zhuǎn)移軌道。這是當(dāng)時SpaceX接到的最重的一顆衛(wèi)星。

SES-9衛(wèi)星就在整流罩里

正因為這顆衛(wèi)星很大很重，所以，接近了獵鷹9號的極限。要預(yù)留下火箭回收的燃料，必然是捉襟見肘。為了多裝一點(diǎn)燃料，不得不拿出壓箱底的招數(shù)，那就深冷加注技術(shù)，也就是把液氧的溫度再降低一點(diǎn)，降到沸點(diǎn)以下幾十度。熱脹冷縮，過冷的液氧體積縮小，原來的那個燃料罐可以多裝一點(diǎn)。蚊子腿也是肉，能多裝一點(diǎn)就多裝一點(diǎn)吧。

但是，好事多磨，原本計劃2月末發(fā)射，結(jié)果因為各種原因一再推遲。特別是2月28號，本來都要發(fā)射了。結(jié)果有艘船誤闖了降落區(qū)，不得不延期35分鐘發(fā)射，煤油倒是無所謂，液氧被冷凍到零下200度，在發(fā)射臺上傻站著，遲遲不發(fā)射，溫度升高了是要產(chǎn)生氣泡的，結(jié)果發(fā)動機(jī)果然推力不足，故障檢測系統(tǒng)及時自動停止了發(fā)射。

一來二去，一直到3月2號也沒能實(shí)現(xiàn)發(fā)射?；鸺忌嫡玖艘粋€禮拜了，不得已，拆下來送回廠房檢修。馬斯克下了死命令，3月4號必須發(fā)射。橫豎就賭一把了，如果這顆衛(wèi)星沒有在規(guī)定期限內(nèi)發(fā)射，不但錢賺不到，還要支付違約金。馬斯克的資金什么時候?qū)捤蛇^？早期都是緊巴巴的。

一直到3月4號夜里的23:35，獵鷹九號從卡納維拉爾角的40號工位拔地而起，起飛4分鐘以后，火箭實(shí)現(xiàn)一二級分離，一級的任務(wù)就完成了。這一次，一級火箭姿態(tài)控制平穩(wěn)，天氣條件也非常好，火箭逆風(fēng)點(diǎn)火也沒問題。但是就在最后關(guān)頭，火箭居然熄火了。從幾百米的空中落下，砸在了平板大船上。

我依舊愛你如故號帶著摔扁的火箭殘骸回家了

不過，砸歸砸，這次倒是沒有爆炸的痕跡，因為火箭最后之所以熄火，是因為燃料燒光了。也就是說，這一次發(fā)射，幾乎逼近火箭的運(yùn)載極限，用來返回的燃料是死磕死的，一點(diǎn)余量都沒有。最后關(guān)頭，燃料燒光了，結(jié)果就砸在了船上。

這些問題都不是不可克服的，在4月8號，獵鷹9號把龍飛船送上了太空，火箭一級也順利的在海上平板大船上站住了，這次海上回收終于宣告成功。至此，馬斯克的第一階段回收試驗結(jié)束，重點(diǎn)解決的問題就是火箭能不能安全可靠的反推落地。最后，這個技術(shù)終于被SpaceX掌握了。

獵鷹9號終于在海上回收成功

火箭的反推回收，實(shí)際上是有不少竅門的。我國的長征8號其實(shí)也考慮回收再利用。編號應(yīng)該是長征8R，具體搞出來到底是個什么樣子，這個現(xiàn)在也說不準(zhǔn)。但是我們遇到的問題就是發(fā)動機(jī)推力太大了，超過了一級火箭殼子的重量。長征8號帶有兩個助推器，索性助推器就不分離了，掛在一級火箭上當(dāng)配重，這樣回收的時候能增加一些重量。

要知道，發(fā)動機(jī)的推力大，要想回收也不是不可能。那就只有嚴(yán)格控制開機(jī)時間。讓火箭做自由落體，下落時間長一點(diǎn)，這樣速度就快一點(diǎn)?？斓降孛娴臅r候，發(fā)動機(jī)2次點(diǎn)火，這等于是急剎車一樣。分寸拿捏要非常的精確，剛剛好速度降為0的時候落地。如果反推時間長了，火箭就會由下落轉(zhuǎn)為上升，這也就回收不回來了。

所以，長征8號一級火箭使用的YF100發(fā)動機(jī)推力還是太大了，足足有120噸，所以改成可以嚴(yán)格控制油門的版本也是很有必要的。獵鷹9號就賺便宜，9臺發(fā)動機(jī)開一臺就行，開小油門，早早的開始減速，減速時間夠長，一切都可以從容不迫，有足夠的時間去慢慢調(diào)整。

藍(lán)色起源的新謝潑德火箭

到現(xiàn)在為止，真正把火箭回收搞成熟的，也就是馬斯克一家。貝索斯的藍(lán)色起源也在搞火箭垂直起降，但是他的目的是搞太空旅游，載人飛到亞軌道高度兜一圈，體驗3~5分鐘的失重感，然后載人的飛船分離，開降落傘落海，火箭倒退著飛回去降落。這并不是真正用來發(fā)射衛(wèi)星的火箭。

新謝潑德垂直回收

藍(lán)色起源的火箭叫“新謝潑德”，謝潑德不是美國第一個實(shí)現(xiàn)亞軌道飛行的人嘛，這東西就是用來搞太空旅游的，這個火箭外形比較猥瑣，多少有點(diǎn)顯得少兒不宜。

當(dāng)然，藍(lán)色起源也有正經(jīng)八百的大火箭，叫“新格倫”，格倫美國一個進(jìn)入環(huán)繞地球軌道的宇航員。當(dāng)然，后續(xù)的還有“新阿姆斯特朗”火箭的計劃，不過到現(xiàn)在為止，新格倫還沒發(fā)射過，新阿姆斯特朗只停留在PPT上，八字還沒一撇呢。

所以，除了當(dāng)年NASA帶著培養(yǎng)出來的那些老牌的防務(wù)承包商，比如波音和洛克希德，新興的私營航天企業(yè)里面也就是馬斯克的SpaceX正經(jīng)八百的研發(fā)出了有競爭力的運(yùn)載火箭。后來，獵鷹9號越來越成熟，回收也就越來越順利，如今人家的火箭可以重復(fù)使用10次，大大降低了發(fā)射成本，如今獵鷹火箭的成本比我們長征火箭還要低呢。

不過，馬斯克還在按部就班的推進(jìn)下一代重型火箭的研發(fā)，畢竟獵鷹9號的潛力基本上已經(jīng)挖的差不多了，再大的衛(wèi)星他們也打不了。要想用最快捷的方式搞出一枚重型運(yùn)載火箭，馬斯克又一次拿出了他的絕招。我們下次再說。

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