美國成功實現「獵鷹9」火箭二次發射

資料圖：「獵鷹9」火箭海上回收。

網新聞4月5日訊 據美國CNN報道，當地時間3月30日18時27分，美國太空探索技術公司（SpaceX）利用「獵鷹9」（Falcon 9）火箭將一顆衛星成功發射上天，這是人類太空史上首次對已發射過的火箭進行重複利用。據悉，太空探索技術公司的「獵鷹9」火箭成本約為6200萬美元，重複利用意味著將極大地降低火箭單次發射的成本。美國太空探索技術公司首席執行官埃隆·馬斯克表示，「這對整個航天領域都是不可思議的一天，它意味著我們可以一次又一次發射軌道級火箭最昂貴的第一級，最終它將帶來航天上的巨大革命。」

SpaceX：私人公司介入國家航天發射活動的「先行者」

太空探索技術公司是由美國億萬富翁埃隆·馬斯克(Elon Musk)於2002年創建，借創業精神融入到航天探索當中去，而在此之前，美國航天發射活動幾乎完全由政府機構控制。埃隆·馬斯克是在線支付系統PayPal的創始人，他消除官方機構的嚴謹程序，加快實施速度和減少成本，宣稱將火箭發射的成本降至傳統方法的十分之一。太空探索技術公司主要設計、測試和製造航天運載系統內部部件，如Merlin、Kestrel和Draco火箭發動機。它開發了可部分重複使用的「獵鷹1」和「獵鷹9」號運載火箭，同時開發的Dragon系列航天器由「獵鷹9」發射到軌道。

2008年，太空探索技術公司獲得美國航空航天局（NASA）正式合同。2012年10月，太空探索技術公司龍飛船將貨物送到國際空間站，開啟私營航天的新時代。作為私營航空公司，太空探索技術公司發射費用低廉成為公司一大優勢，為了進一步降低成本，馬斯克考慮將火箭做成可回收的。馬斯克表示：「傳統的運載火箭是一次性使用的，在發射后墜回地面，或在大氣層中燃燒殆盡，往往只剩下一些金屬殘片。而垂直起降的運載火箭在落回地面后，只要稍加修復，重新加註燃料就可再次發射，大大降低了發射成本。」——然而，他在說這一席話時尚沒有任何一台發動機實現了復用。

2014年10月，太空探索技術公司宣布，它的「草蜢」火箭在月初的試驗中創造了一項新紀錄：火箭由發射台點火后飛到744米的空中，然後又垂直降落回發射台。這家企業在其網站上公布了7日進行的試驗視頻，整個試驗過程持續78．8秒，火箭降回地面后外觀完好。與傳統運載火箭相比，「草蜢」外形上最大的不同是帶有四條鋼鋁結構的「腿」，它們帶有液壓減震器。這四條「腿」使火箭能抵禦垂直落回地面的巨大衝擊而不致嚴重損壞。太空探索技術公司指出，「草蜢」的試驗是這家企業研發垂直起降、完全可重複使用運載火箭的「關鍵一步」。這家企業正在開發其「獵鷹9」運載火箭的可重複使用版本，並在2014年9月底的一次發射中，成功回收「獵鷹9」的部分一級火箭。

2015年1月6日19:20，由太空探索技術公司研製的「獵鷹9」運載火箭原本計劃在美國卡納維拉爾角空軍基地發射升空，但在倒計時進入1分鐘時發射任務被緊急中止，太空探索技術公司稱，故障原因是火箭的「二級推力矢量控制驅動器發生飄移」。經過修正，當地時間2015年1月10日4時47分，「獵鷹9」火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。但是，火箭海上回收嘗試以失敗告終，火箭在海上浮動平台硬著陸並損毀。這是該公司繼2015年1月後，遭遇的又一次火箭海上平台軟著陸回收失敗。

回顧「獵鷹9」的回收歷程不難發現，其失敗次數遠多於成功的次數，直到2016年4月9日才完成真正意義上的海上回收。北京時間2016年4月9日凌晨4時52分，「獵鷹9」搭載龍飛船順利升空，一級火箭助推器分離之後，再次嘗試難度極高的海上回收任務。在此前多次嘗試失敗后，一級火箭穩穩降落於名為「我依然愛你」的海上平台，完成歷史性突破。

「獵鷹9」運載火箭為美國深度探索外太空「啟航」

以重返月球為首要目標，美國小布希政府提出於2005年開始實施「星座計劃」，計劃研製一系列新的航天器、運載火箭以及相關硬體，幫助美國人在2020年重返月球，進而飛向火星。美國前總統歐巴馬上任后取消了這項計劃，提出2025年登陸小行星，2030年將人類送上火星。

在美國航空航天局（NASA）取消「星座」計劃后，歐巴馬表示，將在未來5年內為NASA再投入60億美元，用於鼓勵使用商業火箭，並將國際空間站的壽命最低延長至2020年，使NASA的任務重心從重返月球中解放出來。而作為這一計劃的里程碑式成果，2010年6月4日，太空探索技術公司用自行研製的「獵鷹9」運載火箭，將「龍」號載人飛船的模型送到了地球軌道。

「獵鷹9」火箭為一款兩級液體運載火箭，比「獵鷹」-1大不少，從兩者的直徑看是12英尺對5.5英尺。「獵鷹9」第一級採用了9台「灰背隼」液氧煤油發動機，第二級採用了1台增強型「灰背隼」發動機，只不過第二級比第一級稍短。它們的頂端和外層採用航天常用的超強度鋁鋰合金材料製造，並在後蓋上面蓋了特製的擋熱板，用以保護「獵鷹9」第一級和第二級在重再入地球大氣層時免遭損壞，這樣便可以回收再利用。

作為一款私人公司研發的運載火箭，「獵鷹9」有著令人難以置信的運載能力。在卡納維拉爾角發射場，「獵鷹9」的近地軌道（LEO）運力為10450千克，同步轉移軌道（GTO）運力為4540千克；在緯度較高的誇賈林環礁，「獵鷹9」的LEO運力為8560千克，GTO運力為4680千克。從太空探索技術公司成立到「獵鷹9」號的發射成功總共不到10年時間，從中可充分看出美國航天的雄厚基礎。

在運載能力方面，與「獵鷹1」相比，「獵鷹9」運載能力要強得多，這很大程度上要歸功於「煤油－液氧」推進劑較「偏二甲甲肼－四氧化二氮」推進劑的先天優勢，「獵鷹9」和「獵鷹1」一樣都採用兩級構型，未來的「獵鷹9」HLV（重型版）將採用兩級半構型。「獵鷹9」採用了更強勁的上面級（即第二級），有兩次啟動能力，推力調節範圍很大。儘管煤油－液氧推進劑加上燃氣發生器循環在排氣速度上存在不足，但通過大幅提高噴管的膨脹比，太空探索技術公司用最簡單的方法和最低廉的成本獲得了可以接受的真空比沖。

「獵鷹9」採用了通用助推器（CBC）概念，通過捆綁兩個與芯一級直徑相同的模塊，「獵鷹9」重型版可達到30噸級的LEO運力。「獵鷹9」利用CBC的概念總共只有一種下面級，而且「獵鷹1」、「獵鷹1e」、「獵鷹9」和「獵鷹9」HLV四種運載火箭構成的整個「獵鷹」系列，只有「灰背隼」1C一種起飛發動機，以及「獵鷹」-1系列使用的「茶隼」（Kestrel）和「獵鷹9」系列使用的高空版「灰背隼」兩種上面級發動機。由於發動機型號數量，這使太空探索技術公司可使用批量生產的方式來降低成本和控制質量。

「獵鷹9」火箭二次發射對降低航天發射成本具有開創意義

在可重複使用火箭技術領域，包括俄羅斯、在內的多個國家都在開展探索，但探索的方式和途徑不同。目前，國際上提出的火箭回收方式包括傘降回收、氣囊回收等。太空探索技術公司採用的垂直回收方式是其他國家及航天公司從來沒有用過的，它既不像太空梭那樣水平回收，也與太空梭助推器藉助降落傘回收不同。

太空探索技術公司創始人、首席執行官埃隆·馬斯克要求公司的工程師們打造浮動的海上火箭降落平台（ASDS），並研究液體燃料火箭在發射任務后「如何自動並垂直降落於降落平台」的技術。該平台由於可以移動也被稱為「自主航天港無人駕駛船」，長91米，寬52米，裝有可移動平台的推力器，這個在深海鑽井平台基礎上改進而成的平台即使遇到風暴，其位置保持精度也能控制在3米以內，它還具備為返回的第一級火箭加註燃料的能力，以便重複使用。

這項回收技術的困難度在於，「獵鷹9」火箭高度約14層樓，爬升時的速度達1600米/秒，要讓直線上升的火箭「毫髮無傷」地垂直下降，按照技術人員的說法，這猶如「狂風中讓橡膠掃帚柄直立於手掌上」。另外，火箭垂直返回海面，對姿態控制要求較高，複雜海況如天氣、海浪等也會對火箭著艦穩定產生影響。

航天專家、《國際太空》雜誌執行主編龐之浩稱，「該公司採用的回收方式是其他國家及航天公司從來沒有用過的。既不像太空梭那樣水平回收，也與太空梭助推器藉助降落傘回收不同，而是垂直回收。」他表示，該技術難度很大，首先要讓火箭精確降落在回收平台上。這一點目前已基本實現，火箭的返回精度已達到十米左右。同時要控制火箭的垂直姿態，這需要藉助橫向推力器來實現，龐之浩將此喻為「雜技般的平衡」。

太空探索技術公司為何執著於火箭的海上回收呢？這是因為海上有陸地回收不具備的優勢。各國發射的火箭幾乎都是向東飛行，飛行過程中子級火箭分離時運行軌跡都在斜上方，分離后子級火箭會繼續向斜上方飛行一段距離，隨後沿拋物線自然落下，其落點位置要比分離時更遠離發射場。海上回收使火箭不需要消耗寶貴的燃料飛回陸地著陸場，直接自然降落即可，駁船可以提前在火箭落點位置停泊等待，火箭可以將剩餘燃料消耗在最重要的降落減速上，確保著陸成功。

據國際航天專家估算，目前將1千克物品送入太空的成本至少為1萬美元，重要原因就是發射航天器的運載火箭是一次性使用的。「獵鷹9」火箭的總造價約為5000萬美元，而其推進劑的成本只有20萬美元。如果能重複使用，就可以大大降低成本。如果能回收並重複使用第一級，可節省80%的資金；如果第二級也能回收並重複使用，發射成本將降至當前的1%。

太空探索技術公司不斷嘗試的最大原因，就是考慮到商業航天的經濟性。從大方面說，只有解決了回收再利用難題，才能讓大型航天器便捷地駛入更加遙遠的太空。從應用層面說，如此力壓成本可使人造衛星的研製費用便宜得多；回收火箭還能保障地面人員和財產安全，有利於保護環境。（謝武）