火箭重复使用极简史

6月17日，SpaceX 猎鹰9号火箭在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射新一批53颗星链卫星。这枚“13飞13回收”的猎鹰9号，让 SpaceX 完成了总计100次的火箭重复使用。

▲SpaceX在36小时内发射

三枚猎鹰9号（图源：CNMO)

火箭为什么需要重复使用？因为贵。复用才能降低成本，降低成本才能扩大应用。如果汽车也是一次性的，地球上没有多少人能开得起车，我们估计只能停留在驴车马车的时代。

汽车重复使用容易，火箭为什么难？因为火箭速度得每秒7.9公里才能进入地球轨道，要达到这一速度不但必须携带大量燃料，还需要借助多级火箭技术以接力方式飞行，并严格控制各级火箭的结构质量占比。现代火箭的燃料质量超过90%，剩余不到10%质量中有效载荷通常小于30%。为了让火箭实现可重复使用，必然要预留一定的飞行能力用于返回，这就进一步增加了了火箭的干重，削弱了它运输有效载荷的能力。因此，很长一段时间内，人类并没有尝试去这么做，而是集中精力于提高火箭运载有效载荷入轨的能力。

多约束条件下的运载能力发挥，就像一场在成败边缘游走的赌博。但总有人愿意冒风险尝试。SpaceX 并不是第一家研发可重复使用火箭的公司。在 NASA 预算达到巅峰的20世纪60年代中期，关于土星五号一级火箭的回收就有不少提议和方案。其中，直升机设计制造业的先驱者席勒公司（Hiller Aircraft）提议，用一架旋翼直径大于足球场的巨型直升机——正式名称为“用于助推器回收的旋转翼系统”（Rotary Wing System for Booster Recovery），在半空中抓住随降落伞下降的火箭一级。直升机得多重？得带多少油？研制并未实际开启，NASA也没有给予资助，大胆的想法从此尘封。

▲回收土星五号一级的直升机抓取方案

（图源：D. Day/ spacereview)

1969年9月，航天飞机作为阿波罗计划后的第二代航天运输系统方案被正式提出。航天飞机的轨道器和固体助推器是可回收的，但由于需要开展大量的检查和翻新工作，其成本远远高于同类的不可重复使用火箭。1981年首飞、2011年退役，一共进行了135次发射的美国航天飞机项目花费1960亿美元，每次发射的成本大约是15亿美元，未能达到有效降低航天发射费用的目的。

▲航天飞机起飞（图源：NASA）

航天飞机执行任务正酣的20世纪90年代，后来并入波音的美国飞机制造商麦道公司（McDonnell Douglas）上马 DC-X 项目。试验机在十几次试飞中都仅仅达到一两公里的高度，但它证明了建造低成本垂直起降火箭的可能性。在一次因着陆腿未能按计划展开造成的事故后，项目于1996年取消，剩下的几名 DC-X 工程师加入蓝色起源团队，继续研发可重复使用火箭。

▲第4次试飞的DC-X（图源：McDonnell Douglas）

时间到了2001年，埃隆·马斯克（Elon Musk）出现了。他的初衷是把一个叫做“火星绿洲”的温室送往火星，以唤起公众对火星探索的热情。造个温室简单，但发射到火星去不容易。马斯克三访俄罗斯，试图购买其洲际弹道导弹作为运载工具，但价格没谈拢。悻悻而返美国的飞机上，他说：“我认为，我们可以自己造火箭。”次年，SpaceX 公司成立，陆续有了突破入轨的猎鹰1号、重复使用的猎鹰9号、同样可复用的猎鹰重型以及仍然要复用的星舰。

▲SpaceX第一代海上回收平台（图源：SpaceX）

与此同时，多年来处于保密研发状态的蓝色起源对外公开其亚轨道载人火箭。像猎鹰9号一样，新谢泼德火箭被设计为可重复使用；与曾考虑过降落伞方案的 SpaceX 不同，蓝色起源一开始就决定以推进方式让火箭着陆。截至2022年6月4日，新谢泼德火箭已将26名乘客送入太空。蓝色起源研制中的轨道运载火箭新格伦，同样是可重复使用的。

▲新谢泼德火箭（图源：Blue Origin）

30年前的 DC-X 试飞任务中，设计师们一度乐观地估计，未来航天器能将每公斤发射成本降到500美元。今天，即使 SpaceX 实现了火箭的100次重复使用，即使其拼车发射业务向客户收取的费用已经大大降低，人类进入太空的成本距离理想数字仍然还有很长的路。

本文来自：语宙