可复用运载器：探索，一直在路上

文/迟惑

▲ 重型猎鹰第一级返回地面的场景

▲ 美国发现号航天飞机

2021年12月，法国政府宣布，一定要研制可重复使用火箭，弥补“十年前的错误”，并且打算在2026年投入使用。这意味着可重复使用运载器的市场竞争将进一步白热化。可重复使用运载器的研制目的，是大幅度降低航天发射成本，提高发射频率。对于这项技术的探索，从很早以前就开始了。但航天飞机的失败让很多发射服务商心有余悸，直到猎鹰9号火箭多次回收成功，并且进入商业化运行，大家才放下心来。相信经过一段时间的研发，可重复使用火箭将成为主流发射工具之一，为人类进入太空提供更大的方便。

从VTHL到VTVL

早期的可重复使用运载器主要有3种设计思路：垂直发射水平返回（VTHL）、水平发射水平返回（HTHL）、垂直发射垂直返回（VTVL）。而真正进行过轨道飞行的可重复使用运载器只有美国的航天飞机和X-37空天飞机。这两种运载器的共同点是都采用了垂直发射水平返回，这在很长一段时间内，将可重复使用运载器的设计思路捆绑在了垂直发射水平返回的路线上。

但是，这两种可重复使用的运载器的发展却并不尽如人意。美国航天飞机是人类历史上第一个可以重复使用的航天运载器。在1981～2011年的30年间，美国的5架航天飞机共执行了135次飞行任务。它的每次发射费用平均高达15亿美元左右，而传统的“火箭+飞船”的发射成本也就1亿美元左右。而且就算付出了高昂的维护费用，也还是没能避免1986年挑战者号和2003年哥伦比亚号航天飞机的灾难性事故，最终只能以退役收场。

美国X-37空天飞机由波音公司研制，也被称为太空试验飞行器，可以用“大力神5号”和“猎鹰9号”送入近地轨道。1999年美国宇航局启动项目研制，2004年项目转到美国国防部，并成为一个机密级项目。X-37在2006年前代号为X-37A，2006年11月美国空军将其型号升级为X-37B。X-37B岂今为止共进行了6次飞行。第6次任务于2020年5月17日进行发射，目前该飞行器仍在椭圆形近地轨道上运行。在近地点时，它可以利用高空稀薄大气通过气动变轨，实现反跟踪，以方便执行秘密任务。这么神秘的运载器，显然是不能投入大规模使用的。

正当可重复使用运载器的发展停滞不前时，太空探索技术公司（SpaceX）横空出世。2015年12月21日，太空探索技术公司的“猎鹰9号”将11颗卫星送入近地轨道，并成功回收火箭一级助推器。这是人类航天史上垂直发射垂直返回模式的首次助推器回收成功，从此垂直发射垂直返回运载器的常态化使用拉开序幕。

2018年2月6日，太空探索技术公司进行猎鹰重型运载火箭的第一次试验飞行，将埃隆·马斯克本人的特斯拉跑车送往火星，目前该跑车（太空垃圾）已进入与火星轨道交叉的行星轨道。猎鹰重型火箭的3个一级助推器中的2个成功回收，芯级未回收成功。

到2021年底，太空探索技术公司已经完成了“猎鹰9号”一级助推的第100次成功回收，也是人类航天史上垂直发射垂直返回轨道级发射任务的第100次助推器回收。

▲ 美国X-37空天飞机

▲ X-37是无人空天飞机，采用垂直发射水平返回模式

▲ 在“猎鹰9号”基础上设计的猎鹰重型火箭

▲ 埃隆·马斯克的“星舰”

火星移民梦造就的VTVL

是什么使太空探索技术公司这样一家商业公司进入航天领域，并选定垂直发射垂直返回（VTVL）的可重复使用航天运载器作为主要研制方向呢？

首先，美国航天产业政策的变化为太空探索技术公司进入航天领域提供了很好的时机，同时由于政策的支持，起步初期的太空探索技术公司得到了一部分资金支持，为公司的发展提供了很大的帮助。

多年来，美国的航天工业一直被几家航天巨头垄断，成为美国“军工复合体”的一个重要组成部分。这带来的一个直接后果是缺乏创新，价格高企，进度拖延。随着冷战结束，美国开始考虑将军用、民用和商业航天的管理分离，并从国家层面推动创建有竞争力的商业航天企业，以构建全新的航天工业基础。

美国的商业航天政策，主要从以下5个方面考虑：

·增强航天工业的经济竞争力。随着冷战结束，美国国家顶层政策开始呼吁航天商业化，以创建有经济竞争力的航天工业基础。

·打破由传统军工巨头把持航天的垄断体制。由于航天的高技术、高投入和高风险，航天巨头纷纷采用强强联合的手段，形成了典型的寡头垄断市场结构，产生巨额的隐形垄断成本。

·培育低成本、有创新能力的商业航天产业。美国宇航局通过优惠贷款、投资补贴和采购承诺等方式，支持充满活力和创新的新兴航天企业的诞生和成长。

·发展近地轨道经济和地月经济。将技术成熟的近地轨道发射、运输、空间站建设和运营等逐渐转变为商业性活动，形成基于商业的具有自我支持能力的良性运营模式，将美国宇航局的战略使命全面转向深空探测。

·降低美国宇航局的重资产配置。由航天器及相关设施的业主方，逐步向购买商业航天企业的服务转变。

为此，美国发布了一揽子法律制度和资助计划。以太空探索技术公司为代表的新兴商业航天公司就是在这个政策的大环境中催生出来的。

其次，埃隆·马斯克的火星移民梦想直接造就了垂直发射垂直返回可重复运载器的诞生。马斯克曾表示，“我希望每天早上醒来，想着未来会很美好——这就是太空文明的意义所在。这让我相信未来，相信未来会比过去更美好。我想不出有什么比到那里去和星星在一起更令人兴奋的事了。”

马斯克除了有这样的梦想，又是一个推崇“第一性原理”的人。第一性原理指的是回归事物本质，将其拆分成各要素进行解构分析，从而找到实现目标最优路径的方法。

通常我们总是倾向于在前人已经做的和正在做的事情上去发展，这样的结果只能是渐进地迭代发展。马斯克和他的团队思考问题的方法是回溯事物的本质，重新思考怎么做。按照第一性原理，马斯克提出了以下目标：

▲ 2020年5月30日载人龙飞船由猎鹰9号火箭发射升空，这是全球第一次商业航天载人飞行任务

▲ 装载货运龙飞船的猎鹰9 号火箭整装待发

全复用火箭

马斯克的目标是实现人类移民火星，要实现这一目标，当时的任何一种太空运输系统，成本都是不可行的。因此，移民火星首先需要解决的问题是大幅降低航天运输系统的成本，说白了就是要把航天运输系统打造成像飞机一样全复用，这样消耗的只有燃料（当然还有定期保养）。

这种设计的最终产品是该公司正在研制的超级重型火箭星舰。当然在这个过程中，技术需要积累，资金需要筹措，所以有了我们现在看到的太空探索技术公司主力火箭猎鹰9号和猎鹰重型。

数量级降低入轨成本

因为没有完整的火星运输成本数据做参考，这里拿近地轨道的数据做比较。太空探索技术公司全复用的超级重型运输系统星舰近地轨道运输目标成本为每千克10美元，而航天飞机的成本为每千克5.45万美元，数千倍的差距。

VTVL的技术路线

对于返回方式的选择，如果是水平返回，即使是有大气层的外星，肯定也是没有降落跑道的，因此选择利用火箭推力垂直返回是人类登陆外星的不二之选，再难也要克服。

推进剂的选择

推进剂首先考虑的是可以在外星原位制取，否则在商业上是无法接受的。氧化剂很自然地选择氧气，氧元素广泛存在。

燃料的选择稍显复杂，煤油无法在外星原位制取，氢气的液化温度太低。甲烷的液化温度适中，和氧气液化温度接近，在火箭燃料储箱设计时可以相对简化，而且都可以在火星上原位制取，在地球上也比氢气和煤油便宜。这也就是星舰选择采用液氧甲烷猛禽发动机的原因。

第三，美国航天飞机的退役为马斯克带来了更多的机会。航天飞机退役后，没有载人航天发射能力的美国人，只能购买俄罗斯联盟号载人飞船和进步号货运飞船的服务，来完成国际空间站的往来。这促使急迫需要本国载人发射能力的美国政府把宝同时押在了太空探索技术公司和波音公司身上。事实证明，当时美国宇航局的决策是正确的，直到现在波音的“星际线”载人飞船还没有交卷，而太空探索技术公司已经拥有了猎鹰9号火箭、猎鹰重型火箭、货运龙飞船、载人龙飞船4个成熟型号。

▲ “猎鹰9号”海上回收

▲ 工人正在拆除“猎鹰9号”的一级格栅翼

▲ 返回后的“猎鹰9号”第一级

“猎鹰9号”的经济账

到目前为止，太空探索技术公司的猎鹰9号火箭和猎鹰重型火箭已经实现了常态化的一级火箭回收。业界普遍承认，一级回收所带来的，不仅仅是节省一些钱的方法，与传统一次性火箭相比，一级回收带来的优势已经完全颠覆了整个行业，迫使每家发射服务商都要重新考虑自己的业务模式。比如说，“猎鹰重型”的发射能力差不多是“猎鹰9号”的3倍，但是通过采用一级回收技术，它的成本仅仅比“猎鹰9号”多了33%。这对于传统火箭制造来说，是不可想象的。

太空探索技术公司是一家私人控股公司，不公布财务报表，因此难以进行详细的成本分析，只能根据它们的公开声明推测一下。

2016年3月，太空探索技术公司总裁格温·肖特韦尔表示，该公司预计重复使用一级火箭可以节省30%的成本。如果这转化为服务价格降低30%，那么“猎鹰9号”的标价将从6120万美元降至4280万美元。

根据投资银行杰弗里斯国际有限公司的测算，假设太空探索技术公司在发射时的毛利率为40%，那么按照6120万美元报价，每次发射的直接成本是3670万美元，包括火箭燃料和发射场运行费用。

埃隆·马斯克曾经公开表示，一级火箭占火箭总成本的75%。如果40%的毛利率估计是正确的，那将意味着一级火箭的总成本为2750万美元。马斯克曾表示，第一级火箭可以重复使用数十次。在杰弗里斯国际有限公司的总结中说，如果太空探索技术公司将节省下来成本的50%让利给客户，那么“猎鹰9号”的报价可以降低21%，达到4830万美元。如果100%提供给客户，发射价格将下降40%，达到3700万美元。

而马斯克还曾经表示，“猎鹰9号”使用的燃料价格在20万美元到30万美元之间。这并不是一个离谱的数字，“猎鹰9号”采用液氧煤油推进剂，航空煤油是一种大批量生产的普通燃料。而液氧可以从空气中制备，仅仅需要消耗电力。目前航空煤油的价格大概是1000美元左右一吨。液氧的价格只有煤油的十分之一左右。“猎鹰9号”第一级燃料总携带量255吨，按照氧气和煤油2.6:1左右的配比，马斯克的说法是可信的。

▲ 返回后的“猎鹰9号”支撑腿

马斯克亲自透露了关于可重复使用的财务细节。他说，“由于重复使用一级火箭和整流罩，有效载荷能力减少了不到40%，回收和翻新的成本不超过新火箭价格的10%，所以一枚一级火箭飞行2次可以实现不赔不赚，飞行3次就是稳赚了。”

虽然一级回收过程需要预留10%的燃料，并且损失运载能力，但是这部分燃料的价格只有几十万美元，所以损失最大的应该是运载能力。按照损失40%运力后每次发射收费6000万美元计算，损失掉的发射服务费达到4000万美元，不是小数。

下一个问题是，一级回收之后的检修和翻新要花多少钱。欧洲阿里安公司曾经公开评论说，翻新成本是决定性的，但是因为太空探索技术公司不肯公布细节，因此无法做出判断。将重复使用的火箭转化为切实的资本支出节约，是存在持续挑战的，其中包括火箭失败、保险、改造周期等，但前进方向是明确的。

太空探索技术公司火箭集成总监克里斯托弗·库卢里斯给出了更加乐观的数字，他说重复使用第一级可以把“猎鹰9号”发射成本降低到2800万美元。

2020年5月，马斯克甚至给出了更低的数字。他在接受《航空周刊》采访时说，“猎鹰9号”的边际成本为1500万美元。这里的边际成本，可以理解为刨除各种研发费用，仅仅考虑一枚火箭的制造费用。在这次采访中，马斯克还明确表示，翻新一级火箭的成本为100万美元。这与“不到10%”的说法还算吻合。

那么，“猎鹰9号”第一级可以重复使用多少次呢？马斯克说，这个数字可能没有限制，他甚至认为可以超过100次，只不过清理发动机有点麻烦。

当然，如果把研发费用平摊到每次发射上，重复使用火箭要想赚钱，就需要更长时间了。马斯克在2017年3月指出，该公司在可重复使用的发射技术上花费了超过10亿美元，按照杰弗里斯国际有限公司推测的利润率，“猎鹰9号”要重复发射40次才能把这笔钱赚回来。不过，按照“猎鹰9号”每年发射30多次的频率，似乎也可以接受。

▲ “星舰”飞行示意图

随着太空探索技术公司的成功，各国政府和商业航天公司不约而同地把目光瞄准可重复使用运载器。这种大干快上的局面，意味着可重复使用运载器的春天就要来临了。但是，任何新技术都不会那么顺利。其实，上一种实现了频繁重复使用的火箭，就是航天飞机的固体助推器。曾经在美国宇航局担任探索系统开发副局长的丹·达姆巴彻表示，他们本来打算让这两根铅笔样的火箭重复使用55次，但花了很多钱、很多时间后，并没有达到这个指标。美国宇航局似乎没有自己想象的那么聪明。

当然，也有很多企业从自己的实际出发，认为盲目追求可重复使用是不现实的。美国萤火虫宇航公司负责人就表示，对初创公司来说，能制造一次性使用火箭就不错了，重复使用的梦想还太遥远了。事实证明，他说的一点都没错。2021年9月，这家公司的阿尔法火箭首次发射就遭遇失败，在空中炸成一团火球，给2021年贡献了最惨烈事故照片。也有人指出，马斯克并不是一开始就做到了重复使用。他最早的火箭猎鹰1号就是一次性使用的。马斯克最信任的副手、现任太空探索技术公司总裁肖特维尔也承认，没有“猎鹰1号”提供的经验教训，就不会有“猎鹰9号”的成功。所以，在研制可重复使用火箭的道路上，还会遇到一些坎坷，付出一些代价。