为实现廉价航天SpaceX豁出去了


  将14层楼高的一级火箭引导到足球场大小的一艘驳船上,就像“在狂风中让一根扫帚平稳地直立在手掌上”。尽管如此,为实现廉价往返太空的目标,航天公司还是在一次又一次试验可行性
“猎鹰9号”火箭发射现场

  2016年,美国太空探索技术公司(SpaceX)计划成功回收一级火箭,并将首次把回收的火箭再次发射。3月9日,SpaceX总裁格温·肖特维尔(Gwynne Shotwell)在美国马里兰州举行的“卫星2016”会议上作上述表示。
  可在此前五天,SpaceX公司刚刚在一次一级火箭的海上回收中遭遇败绩。当“猎鹰9号”火箭成功将SES9通信卫星送入太空的同时,一级火箭分离后执行海上回收的命令,但最终没有准确降落在驳船中心,箭体在甲板上硬着陆,回收任务失败。
  这是自2015年1月,SpaceX第一次真正开始火箭回收试验以来,第四次海上回收失败。
  SpaceX首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)随后在其推特上表示,“并没期待这次能够成功,不过下次着陆应该是个很好的机会。”根据SpaceX公布的数据,今年还有16次发射任务。
  对于火箭重复使用的探索,SpaceX屡败屡战。这跟马斯克的创新激情分不开,这个全球科技圈中最特立独行的人物,一直以来的态度就是要做那些能够改造世界的项目,他执掌的电动汽车生产商特斯拉,被认为代表着汽车业发展的光明未来;SpaceX则已在商业航天领域具有很强竞争力,美国航空航天局(NASA)已经批准SpaceX可以执行绝大多数航天任务。
  更深层的原因在于,火箭重复使用技术是开启廉价太空探索时代的一把钥匙。先得者将改写商业航天市场的版图。但这条技术开创之路,必然密布荆棘,充满不确定性。

太空探索太贵了


  航天发射可以说是世界上最昂贵的人类活动。长久以来,太空探索的成本居高不下。《国际太空杂志》执行主编庞之浩称,发送1公斤的物质上天,需要花费的成本约为1万-2万美元,这大大影响了人类开发太空的规模和效益。
  尽管SpaceX以发射价格低廉而闻名,其主力“猎鹰9号”火箭的单次发射费用也在5000万美元以上。SpaceX之所以要攻克火箭回收难关,主要目的是进一步降低航天发射成本。
  目前,运载火箭都是一次性使用的。这正是发射费用昂贵的根本原因,像火箭的箭体、发动机、导航制导控制等设备,是成本的绝对大头,发射燃料费用则仅仅是一个零头。如果火箭可重复使用,显然可以大幅度降低发射成本。
  具体到“猎鹰9号”火箭,马斯克曾表示,通过重复使用,理论上可以将成本降低为现在的1%。他更放出豪言,如果火箭发射报价不能降低为现在的1/20,他的努力就算失败了。
  可重复使用运载工具并非马斯克首创。几十年来,各国航天机构在该领域投入巨资研发,主攻三种回收方案,降落伞式垂直下降、动力反推垂直降落以及给火箭安装“翅膀”的方式。
  降落伞垂直下降方案,是在火箭返回地球大气层后,在低空采用降落伞减速,最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。这一方案已广泛应用于载人航天回收飞船返回舱和返回式卫星,但还没有重复使用案例。
  中国运载火箭技术研究院在2015年11月下旬,成功完成了运载火箭子级回收群伞空投试验。一位接近中国运载火箭技术研究院的航天专家告诉《财经》记者,“目前只是技术验证试验,整体上行不行还不知道。”
  SpaceX采取了动力反推垂直下降方案,一级火箭返回后,在低空采用发动机反推减速,以垂直下降方式降落地面。
  第三种方案是滑翔飞行水平降落方案,即箭体采用翼式飞行体,在变轨制动后,火箭像飞机一样水平降落返回地面。航天飞机正是这一方案的产物。20世纪70年代初,科学家、工程师,乃至媒体和公众都曾指望航天飞机通过重复使用,开启廉价遨游太空的时代。美国曾发射过135架次航天飞机,成功回收133架次,前苏联也回收过1次。
  按照NASA的设想,通过航天飞机轨道器和固体助推器的重复使用,可以将航天飞机的单次发射费用降至3000万美元,这只有现在“猎鹰9号”火箭发射报价的一半。但在投入使用后,人们尴尬地发现,航天飞机两个固体助推器采用了降落伞减速、海上溅落、打捞回收的方式,这是一个复杂又高成本的过程,而每次飞行回来后要耗费巨资维修才能重新上天,这样每次发射费用高达4亿美元以上,这比一次性的运载火箭还要贵,加上“挑战者号”事故,航天飞机不得不在2011年宣布退役。
  中国航天科工集团第二研究院研究员杨宇光曾撰文分析,航天飞机的错误在于将载人与运货合二为一。
  载人,对航天飞机的可靠性要求更严苛,但货运功能运载工具则没必要如此严苛,制造成本会低很多。重达100吨的航天飞机,货运能力只有29吨,一方面是由于承载航天员本身所付出的代价,另一方面是载人航天器对可靠性和冗余度的高要求造成的。
  杨宇光认为,SpaceX采取主动减速、垂直降落的方式就是为了规避航天飞机助推器回收过程所带来的复杂性和高成本。如果“猎鹰9号”实现了可重复使用,完全可以在载人或装运高价值物品时,使用新制造的火箭;而普通货运发射时,使用回收后再利用的箭体。
  欧洲航天界普遍认为,“猎鹰9号”火箭实现干净利落地着陆回收后,要保持高密度发射,对用过的火箭级进行整修才是最难的。
  事实证明,“猎鹰9号”重复使用的维修成本也许不算高。在那次成功回收后,这枚从太空返回的火箭只有极小的磨损。在检查完三天后,SpaceX没有对回收火箭进行全面整修,就把它重新放在测试台上,点火成功。

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