SpaceX给航天界的启示

—写在猎鹰九号火箭成功回收之际

出品：科普中国

制作：中国科学院国家天文台 郑永春

监制：中国科学院计算机网络信息中心

航天发展的瓶颈在运载火箭，如何把一大堆很重的物体送入太空，一直是制约人类太空探索的难点。在大多数人的概念中，火箭就应该是一次性产品，点火之后一飞冲天，把航天器（卫星或飞船）送入预定轨道，火箭的使命就完成了。

然而，就在昨天，SpaceX成功实现猎鹰九号火箭回收，说明火箭重复利用的时代就要带来了，这一消息在朋友圈快速传播。

图1 发射架上的猎鹰九号火箭

那么，SpaceX是如何实现火箭回收的呢？对未来的航天格局会有什么影响？又能对中国航天界带来什么启示？

在喧闹的背后，需要我们逐一冷静分析。

• 连战连败，终获成功

在猎鹰九号的第一级火箭实现成功回收之前，是一连串的失败。

2015年1月10日，猎鹰九号在执行CRS-5发射任务时测试火箭回收技术。第一级火箭在发射后，落向大西洋上一艘驳船改装的着陆平台，虽然准确地命中目标，但由于下降速度过快，导致火箭在甲板上发生爆炸。

2月12日，猎鹰九号在为美国国家海洋和大气管理局发射深空气候观测站（DSCOVER）卫星时再次测试火箭回收技术。由于当时海上风浪很大，驳船被迫撤回，火箭虽然在海面上成功软着陆，但最终落入水中。

4月14日，猎鹰九号在执行CRS-6发射任务时再次测试火箭回收技术。虽然一级火箭准确着陆在驳船甲板上，但由于横向速度过大，火箭未能在甲板上稳稳站立，最终导致倾覆爆炸。

6月28日，猎鹰九号第三次尝试海上回收火箭。但这次更惨，遭遇到了发射失败，火箭以及给国际空间站运货的飞船，统统在高空解体。

连战连败，SpaceX开始闭门思过，认真检查每一个环节，改进设计方案。他们改进了发动机引擎和火箭的多级分离系统，并调整了燃料配方。

在此期间，美国另一家民营航天企业蓝色起源公司的新谢泼德火箭实现了回收。虽然，新谢泼德火箭只是一枚探空火箭，只是在地球大气层内的亚轨道飞行，并没有飞出地球大气层，也没有发射航天器的能力，只适用于开展商业太空旅游体验。但相关舆论给了SpaceX很大的压力。

闭关半年之后的12月22日，赶在圣诞节这一西方人最重要的节日之前。SpaceX再次测试火箭回收技术，终获成功。

图2 猎鹰九号成功回收

这是猎鹰九号的第20次飞行，也是设计方案升级后的第一次飞行。经历了重重失败之后，所有人终于可以安心回家过新年了。

火箭成功发射，起飞后1分13秒，推进达到1马赫；

1分24秒，火箭达到最大动压；

2分20秒，火箭第一级关机；

2分24秒，火箭多级分离；

2分35秒，第二级火箭点火；

2分55秒，火箭整流罩分离；

4分钟左右，第一级火箭返回飞行点火；

8分钟左右，第一级火箭再次点火，火箭再入地球大气层；

9分40秒，第一级火箭稳稳站立在发射场附近的陆上着陆平台，火箭回收成功。

• 可回收火箭究竟难在何处

可回收火箭究竟难在何处？

难就难在十分复杂的电子系统上。电子系统是火箭的大脑，由遍布箭体的各种传感器获取火箭飞行的各种参数，然后通过信息汇总、计算，及时调整飞行方案，这一过程类似大脑的思考和决策过程。通过各种控制部件，执行指令，这一过程类似大脑控制我们身体上的各种运动器官。

猎鹰九号火箭实现成功回收，足以证明该型火箭的电子系统十分强大。

猎鹰九号的第一级火箭共有九台发动机，发射的时候九台发动机一起点火，用大推力使火箭摆脱地球引力升空。而在回收着陆的时候，猎鹰九号关闭其中的六台发动机，只剩三台继续工作。而且，这剩下的三台发动机的推力是精确可调的，这样才能使庞大身躯的火箭在刚刚着地时的速度基本为零，平稳地降落在平台上。

猎鹰火箭要实现平稳着陆，成功回收，可以调节推力的火箭发动机是成功的关键。要实现发动机推力可调，就需要改变燃烧室、燃料泵等的设计，实时调节发动机内部的温度和压力，并调节燃料的流量。这种大推力的可调发动机既要用于火箭发射阶段，又要用于回收时的减速反推。相当于一个人既要获得世界举重冠军，又要能干十分灵巧的绣花针，实际上是一件很难的事情。

一旦实现发动机推力可调，就可以实现火箭的定时、定点入轨，相当于给火箭安装了油门，可以实现与其他航天器的快速交会对接。

• 新一代运载火箭究竟新在何处

随着航天运输的需求越来越多样化，传统的运载火箭已经到了不得不更新换代的阶段。当前，世界各航天大国正在致力于研发新一代运载火箭，将采用大量的新技术和新材料，实现降低成本、提高可能性、满足多样化需求的目标。

那么，所谓新一代火箭，究竟新在何处？

纵观世界各航天大国，俄罗斯正在致力于研制安加拉系列火箭（Angara），这是一个全新的火箭家族，由俄罗斯联合火箭航天集团公司研发。通过捆绑式的多个通用火箭模块，安加拉火箭可以根据需要组合出不同推力的火箭，火箭推力从2吨到75吨不等，可以适应不同运载重量的航天发射需要。安加拉系列火箭研发成功后，将取代现在的虎啸号火箭和质子号火箭，成为未来俄罗斯航天运输的主力。2014年12月23号，“安加拉-A5”型火箭在普列谢茨克发射，迈出了成功的一步。

美国正在研发的新一代重型运载火箭“太空发射系统”(Space Launch System)，号称是人类历史上最强大的运载火箭系统，巨型发动机的长度达54米，运载能力超过130吨，在未来的载人登陆火星和载人深空探索中将发挥关键作用。2015年3月11日，“太空发射系统”进行了试验性发射，整个过程非常成功。根据规划，“太空发射系统”火箭的首次正式发射将于2017年进行。

欧洲致力于研发新的阿丽亚娜6型火箭（Ariane6），以取代现有的阿丽亚娜5型火箭，计划于2020年进行首次发射，2021年发射次数增加到4次，2023年开始年发射次数增加到11次。

日本在H-IIA运载火箭成功率大大提高之后，正在研制H-X新一代火箭，该火箭的第一级和第二级将使用液氢液氧作为燃料的火箭发动机，并研制固体燃料助推器，通过采用前沿技术，实现航天运输的低成本和高可靠。

与上述政府支持的重型运载火箭相比，SpaceX作为一家民营航天企业，成功地改变了航天高大上的特点，大大降低了进入太空的成本，使航天越来越平民化，越来越多的普通人都可以接触到航天，这给传统航天业带来的改变一定是颠覆性的。

• SpaceX的成功对航天业有何影响

虽然火箭可回收，与汽车可加油还是有相当差异的。毕竟那么庞大的一个物体经过了高速飞行，经历了高温燃烧，有些部件是无法重复利用的。但确确实实可以大幅度地降低成本，至少价值数百万、上千万美元的发动机不再是一次性的，可以回收再次利用。

猎鹰九号火箭的标准发射费用为5400万美元，而中国的长征三号乙火箭在海外报价的发射费用也在6000万美元以上，所以即便不回收，猎鹰九号也已经成为世界上最便宜的发射工具。

这次，猎鹰九号的成功回收更是让很多外行人感叹，廉价航天时代即将来临。

图3 猎鹰九号此前的失败

记得前段时间猎鹰火箭连连失败的时候，航天界有人嘲笑马斯克，说航天是需要积累的，不是谁都能搞的。现在，猎鹰九号的成功回收是对这些嘲讽最好的回应。

SpaceX的成功不仅在于技术的先进性，更在于采用了不同于传统航天业的商业化运作模式。传统航天业往往采用研发模式，每一枚火箭都需要设计、生产、测试等等，不仅环节复杂，而且大大增加了生产周期和生产成本，浪费了大量的人力物力。而且，每一次设计都会有新的风险，导致可靠性不够稳定。

SpaceX由于采用了商业化发展的方式，所有的软硬件均在它的控制范围内，不存在外包环节，所以造火箭和飞船就类似于我们造洗衣机和冰箱，全程质量可控。他们在航天领域率先实践流水线化的生产模式，只要一次成功，便可以次次成功，并通过大规模生产，大幅度降低生产成本。虽然也会存在一定的故障率和次品率，但不存在重新研发的风险。

SpaceX作为一家民营航天企业，十分注重成本和质量控制。由于采用了商业化模式，很多产品都会尽量按照批次生产和采购，也都会尽可能地回收利用。之前的每一次失败，实际上都是在进行相关的技术测试，然后改进方案，并非我们想象的是在烧钱。

而反观传统航天业，一直给人一种神秘的感觉，虽然顶着高大上的光环，但其内部照样会面临很多体制机制问题，阻碍技术创新。由于缺少外部竞争，问题逐渐积累，改革十分艰难。这也是美国政府不遗余力扶持民营航天的原因之一，他们要给自己扶持竞争对手，让外部压力增大，才能触动内部僵化的利益格局。

独立自主、自力更生的中国航天领域一直是我们的骄傲，但这种骄傲更多局限在国土之内，航天发展在对国民经济推动方面还有很大的潜力可挖。中国的高铁和核电，已经大踏步走出国门，成为中国走向世界的名片。用中国人的智慧，挣全世界的钱。在这一点上，中国航天界还有很长的路要走。在某种程度上，航天要向高铁和核电学习，只有大进大出，充分开放和竞争，经历市场风雨的洗礼，才能成长为参天大树。

图4 埃隆·马斯克

乔布斯一个人和他领导研发的智能手机，使手机从单纯的通信工具变成了一台微型电脑，成为了个人生活和娱乐中心，更颠覆了传统手机行业的格局。马斯克一个人和他领导研发的可回收火箭，对航天业的影响还远远没有发挥出来，或许也将改变整个航天业的发展格局。这一点，需要中国航天界引起足够的重视。

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