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SpaceX再破纪录——“二手火箭”复用与回收

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2017-04-04 10:52

正文

主页菌说

作为一个公众号作者，我很有幸能够生在这样一个年代，有机会亲眼见证人类再一次向真正离开地球这个人类的“襁褓”而不懈努力。未来的某一天，当我们回头凝望的时候，或许真的只能用“伟大冒险的开端”才足够形容这次看起来平平无奇的火箭发射。

这是一次“平凡”的发射，由SpaceX公司的猎鹰9型运载火箭为卢森堡SES公司发射一颗重5.3吨的通讯卫星，卫星具有50个ku转发器，混电升轨，目标轨道为地球同步转移轨道，没有任何看起来值得一书的地方。但这又是一次极不平凡的发射，一次有可能改变人类航天工业未来发展方向的发射，因为这次发射中的猎鹰9火箭一级是一枚已经发射过的“二手火箭”。这枚史无前例的“二手火箭”不止又一次圆满完成了自己的发射任务，而且又一次准确飞回了海上回收平台，或许它还有机会执行第三次飞行。

这几条简单的推特，很可能是一个全新的航天时代的开端

SpaceX首次旧火箭再发射再回收全过程（感谢桂林编辑支持）

或许你觉得这看起来并没有什么厉害的地方，但这是人类航天史从未有前人做过的一件事情，因为在此之前几乎所有的液体运载火箭——都是一次性的（有人会说航天飞机是可以多次使用的，我们后面会提）。无论是将人类送上月球的“土星5号”运载火箭还是前苏联巨大的N1运载火箭，这些庞然大物一旦在发射完成后都会变成一堆废铁从天而降，再也不能使用。

土星五号，冷战时期为登陆月球而打造的超级火箭，至今仍把持着人类运力最强火箭的桂冠，当然造价也是昂贵令人的咋舌

相对于我们日常的汽车、飞机等可重复使用的交通工具而言，火箭的这种设计相当另类，也必然造成了极大的浪费，也直接导致了人类进入太空的成本居高不下，科幻电影中像坐飞机一样进入太空几乎不可能。所以有个人就想到——如果火箭在发射后能够飞回来，并且再次使用，那么会不会大幅度降低发射成本，甚至使人类有能力殖民外星球呢？

这个人就是SpaceX公司的创始人——伊隆·马斯克，他虽然不是第一个这么想的人，但是他却是第一个做到的人

今天发射的这枚全高达70米的火箭的一级，正是回收自2016年4月8日的一次发射任务，当时这枚一级火箭在完成其向国际空间站发射货运龙飞船的任务后，沿着预先规划的回收弹道飞回海面，经过三次精准的反推后稳稳着陆在SpaceX预先准备的回收驳船上，我们用视频来回顾一下这个过程。

2015年末公司首次完成了难度较低的陆上火箭回收，时隔仅四个月后的2016年4月8日，SpaceX公司又成功完成了人类首次海上运载火箭一级回收

历经坎坷，初心不改，终迎成功

这枚火箭在回收后，公司本来期望于去年10月重新发射升空，但是2016年9月1日公司另一枚火箭突如其来的惊天一炸，彻底把这个梦击得粉碎，公司一夜之间再次跌下神坛，各路负面消息一时间充斥媒体。

这已经是SpaceX史上第三次重大挫折了，创业道路之坎坷可见一斑

历经3个月的事故调查，公司于2017年初恢复了火箭发射。并在回收后时隔整整一年，经过详细的翻修、检查和测试后，终于迎来了这枚火箭的“重装上阵”！并且值得一提的是，这枚二手火箭的9台“梅林-1D”液氧煤油火箭发动机都是执行上次发射任务的那9台，是真正的二次使用。

由于一级是重复使用的，因此无论是任务徽章还是实物中的一级火箭都要比其他部分黑一些，简单来说——二手的，太脏擦不出来了

马斯克最早在2013年TED的一次访谈中公开展示了火箭回收复用的设想，当时迎来的不仅是掌声，也有嘲笑和不屑。毕竟有着航天飞机的反面典型在前面，重复使用的航天器无异于天方夜谭。然而“重复使用”四个字，正是SpaceX创立15年来最大的梦想，笔者也认为是从根本上降低天地往返费用的终极解决办法，虽然不能说SpaceX的道路一定会最终成功，但是SpaceX却一直在这条道路上不断前行，历经数不清的挑战、嘲笑和失败，却仍然初心不改。

他们曾经这样失败过（2016年9月1日，Amos-6爆炸事故）

也曾经这样失败过（2015年7月，CRS-7解体事故）

还有这样（回收失败）

还有（ABS-2A和Eutelsat 117 West B一箭双星任务，回收失败）

还还有（2015年初，Jason-3任务后回收失败）

或许这才是这家公司之所以能够如此引人注目和备受推崇的原因，或许可回收的运载火箭只是和航天飞机一样，是另一个成功而又失败的伟大尝试。翻开网络上有关这家公司的新闻，从来都是极富争议的——鲜花和鸡蛋同飞，赞扬与批评同框。这家公司曾经被无数的“专家”嘲笑过，也被无数的网友谩骂过，但这家公司终于坚持到了成功的一天。或者说，一个男人吹了15年的牛，今天终于成真了。

任何人都不能否认的是，当这枚二手火箭在今天再次执行完自己的使命并顺利分离后，谁能不说仿佛看到了人类登上月球以后另一个航天新时代的曙光？

三射三炸，三起三落，伯乐相助，起死回生

事实上，不仅是我上面展示的那几次挫折，SpaceX这家公司自2002年创办至今15年以来，真可谓是一路坎坷，数次生死一线。马斯克最初创办公司时曾经求援俄罗斯，但不被重视，屡屡碰壁（这段故事详见往期文章：[深度]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路（上））。而后愤而自行研发液体运载火箭，但研发的猎鹰1型火箭曾经三次试射，三次爆炸，几乎沦为业界笑柄。创始人马斯克同时又开办了另一家电动汽车公司“特斯拉”，两家公司同时陷入困境，曾经的亿万富翁差点儿一贫如洗到要住父亲家的地下室。最终在朋友和投资人的帮助之下，在马斯克个人的执念坚持之下，两家公司同时起死回生。

三射三炸的猎鹰1型火箭，一段挥之不去的梦魇，同时也是一段创业的传奇

SpaceX在2008年末正式获得了NASA的国际空间站商业补给服务合同（Commercial Resupply Services，简称CRS合同），采用公司全新研发的猎鹰9火箭向国际空间站运送共计12次货物，凭借NASA一纸订单的输血效应，SpaceX起死回生。

2012年10月8日，由梅林1C型和1C真空型发动机驱动的猎鹰9 1.0版火箭成功发射，正式执行第一次CRS货运任务，任务代号CRS-1

发射后第三天，也就是10月10日，同样由SpaceX公司研发的货运龙飞船成功对接国际空间站，成为人类历史上第一个有独立能力向国际空间站运送货物的私营航天企业，风头一时无两，笔者也正是这个时候开始关注这家公司的

按照道理来说，这个故事写到这里其实应该可以结束了，在2012年时，SpaceX就已经是一家屌的飞起的公司了。为什么这么说呢？因为猎鹰9火箭从头到脚，尤其是发动机都由SpaceX研发、生产和组装的，龙飞船也是SpaceX独立研发完成的，而且还能返回地球，具备了载人的潜力。我们对比下同期获得CRS合同的轨道科学技术公司，它的火箭一级发动机是买的NK-33，一级箭体（包括储箱、增压系统、管路、传感器）是乌克兰的，火箭基本就是“攒”起来的。而天鹅座飞船（下图）看起来就像个飞翔的超大个易拉罐，没有再入能力。唯一真正算是轨道科学公司自行完成的只有飞船的服务模块（Service Module，下图太阳能电池板连接的部分）。

轨道科学技术公司的Cygnus（意为天鹅座）货运飞船，后期又推出了加长型，结果使得这个飞船长得更像易拉罐了

一般公司到了这里，只要维持好火箭和飞船的运营，再接一些商业卫星发射合同，然后鸣锣上市，公司不断扩张，机构变慢慢变得臃肿不堪，效率不断变低，技术创新也会慢下来，如果运气好能拿到军方订单，搞不好就是下一个ULA（联合发射联盟）。OK，到此为止，这个故事就这么结束了。

但是马斯克却并不这么认为！

航天飞机——可复用航天器上伟大而又失败的尝试

因为他觉的这种进入太空的方式还是太贵，关键问题在于——运载火箭是一次性使用的！这事儿看起来好像没什么奇怪的，因为全世界几乎所有运载火箭都是一次性的。但是马斯克认为这完全不合理，只有让运载火箭成为像飞机、轮船和汽车一样能够可快速重复使用的运载工具，进入太空的成本才会得到根本的降低，因为通常燃料成本只占到一次发射成本的很小一部分，火箭本身的制造成本才是大头。

所以，SpaceX开始创造一款能够重复使用的火箭，在完成任务后能够安全的回到地面，然后经过快速翻修（请注意快速这个词，很关键）甚至仅仅是检查就可以用于下一次发射。嗯，看起来真特么美好，但是大家要注意，SpaceX在冒出这个想法的时候正好是人类历史上第一款可复用航天器——航天飞机退役后不久，也是人类对可复用航天器最绝望的一个时代，任何可复用太空运载系统的设计几乎被怀疑为一条“邪路”。

2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机在肯尼迪航天中心安全着陆，宣告长达30年的航天飞机时代宣告终结，退役后航天飞机陆续进入博物馆供后人瞻仰

当年著名杂志《经济学人》的封面文章“太空时代的终结”，那几乎是人类对可复用航天器最绝望的一个时代，但是笔者认为航天飞机是人类在可复用航天器领域一次伟大而又失败的尝试，但是这绝不能证明可复用航天器是不可行的

后期航天飞机每次飞行都需要一万人花九个月来翻修，其实这是一种夸张的说法，但是航天飞机的翻修确实非常复杂，所以说航天飞机是复用的范例，但却是“快速复用”的反面教材。

之所以SpaceX在可复用运载火箭这条道路上如此执着，一方面是因为航天飞机的思路暂时堵死了，所以可回收的运载火箭成了短期内唯一的救命稻草。另一方面，也是最重要的方面，SpaceX诞生的初衷是推动人类成为一个多星球物种，也就是说离开地球要像科幻电影中一样成为常态，火星则是他们设想中最靠谱的第一站。SpaceX的终极目标是殖民火星，我们不去评判这个思路的可行性如何，未来能否有足够的资金支持住这个疯狂的目标，但至少他们执着着。

特朗普虽然签署了193亿美元的NASA新一财年预算，但是相对于NASA现有的载人登陆火星任务架构而言，依旧是杯水车薪，所以根本上减低进入太空的成本才是关键

众所周知，可持续性的载人火星登陆任务堪称本世纪内载人深空探索领域皇冠上最耀眼的那颗宝珠，其巨大的技术难度和天文数字般的资金投入几乎不需要我多说。但是做为一个私营企业要完成这样一个近乎痴人说梦的目标，首要要做的就是想尽一切办法降低进入太空的成本，而且必须是根本性或者是数量级上的降低。就注定了可复用的运载火箭是可持续性火星任务的最重要条件——没有之一。

这张图片几乎从SpaceX诞生之日起就挂在官方网站上，总之吹牛也好，忽悠也罢，至少这个态度是认真的

SpaceX的火星殖民方案，基于可“完全复用”的火箭方案，虽然看起来疯狂，但如果却能成真，则能在费用和可持续性上取得巨大优势

未来的路

在这次发射之后，我们必将见到更多的用户订购“二手”的，或者说“发射验证”过的火箭。尤其是本次发射的客户，“吃螃蟹”的卢森堡SES公司已经明确表态将继续订购二手火箭发射来节约成本。未来二手火箭发射会像现在的一次性火箭发射一样稀松平常。但是个人认为可回收运载火箭从诞生到最终实用化分为三个阶段：

证明以“垂直起飞，垂直降落”方式回收火箭是可行的（已完成）
证明回收火箭的再次发射从技术上是可行的（已完成）
证明复用火箭能够从根本上降低航天发射的费用（有待完成）

如果说2015年12月的首次回收证明了回收的可行性，那么这次发射就是第二阶段完成的最佳证明。当然最困难的就是第三步，航天飞机就是倒在了第三步上，虽然实现了复用，但成本却反而一路飙升，同时在安全设计上的缺陷一再显现，最终黯然落幕。因此，对于SpaceX而言，第三步可能至少需要五年，甚至可能需要十年或更久。然而，我们可以看到，SpaceX依旧在不断改进和完善自己的可回收火箭，并预计于2017年推出可复用的全新改型——猎鹰9 Block5。因为航天飞机的前车之鉴，在这条路上，SpaceX如此孤独，全世界主流发射承包商无一跟随，只有亚马逊创始人贝索斯的蓝色起源“新格伦”火箭采用了类似思路。

但是，历史告诉我们，先驱者从来都是孤独的。

对于我们来说，还是那句老话——耐心，是一种美德。

部分媒体经常会说，可以讲发射成本下降至20万美元，这显然是不现实的，因为截至目前为止，猎鹰9火箭仍然是典型的“部分复用”，并不是一款彻底的可复用火箭。

发射后出镜的马斯克显然已经激动的不知道该说什么了，惯例的结巴症又来了

SpaceX的猎鹰9火箭本身发射报价就相当低廉，目前只有印度和中国的发射可以在报价上与之匹敌。但如果未来随着复用火箭的逐渐普及，报价将进一步下降，近期SpaceX公司将会提供20-30%的折扣，远期有可能低值50%-60%，这个时候，在商业发射市场上，SpaceX将成为彻底的价格屠夫，倒逼同行业公司都进行类似的创新。仍然从事一次性火箭发射的同行虽然依然能够生存，但是日子绝对没有现在那么好看。

就像著名的“黑店”联合发射联盟（简称ULA），在长达十年的时间内，由于事实垄断了政府和军方的航天发射。原来没有两亿美元这个发射就不要来谈，现在ULA却在不到一亿美元的GPS-3卫星合同上和SpaceX杀的难解难分，而且仍然输掉了竞标。未来蓝色起源，。有网友和专家说浪费大量运力，就像现在的飞机需要携带起落架和多余的燃料箱一样，如果飞行只进行一次，这些装置显然是多余的，但是大家已经习惯性地认为飞机是一种可靠的多次重复使用交通工具，所以这些的存在才变得“理所应当”。

可复用运载火箭的这个体系还在不断地完善当中，这是这次发射中用到的新型火箭回收机器人。

随着公司未来整流罩回收的实现和猎鹰9的最新复用改型Block5的推出，猎鹰9的回收从物料成本上无疑是节省的，毕竟回收了整枚火箭90%的梅林发动机和大部分箭体。但是考虑到目前4个月的翻修周期和零部件解体、更换、测试的额外成本，以及多次复用后有可能带来的保险费率上升，目前现有的回收体系究竟能不能在数次复用后依旧能保证火箭可靠，能不能降低发射服务的费用，究竟能降低多少发射服务的费用，仍然还是未知。即使多年以后，复用火箭如航天飞机一样证明并不经济，但SpaceX的努力至少为我们又指出了一条“死胡同”，从这个角度来讲，也算得上是大功一件了。