SpaceX火箭回收试验屡败屡战太空探索太贵了

国外航天 · 2016-11-23 03:29:18

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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。为实现廉价航天SpaceX豁出去了。　　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。　　目前，很难精确确定回收火箭会降低多少发射费用，肖特维尔估计数值是，一级火箭燃料费用不到100万美元，而一级火箭回收后整修开支约300万美元，这样一来，可将回收后再发射的总成本降低约30%，大概在4000万美元。而且多次复用还能更便宜。　　整体看，尽管挫折不断，采用可重复使用终是降低成本的必经之路，至于哪种航天发射技术途径更合理，尚不能定论，都在测试中。　　回收技术关口　　“在狂风中让一根扫帚平稳地直立在手掌上”。这是对“猎鹰9号”回收过程的形象比喻。　　“猎鹰9号”火箭的回收方式设计为海上平台和陆上两种，这避免了海水对发动机和箭体的侵蚀，回收后的维护相对简单，这个选择有利于成本控制。　　当“猎鹰9号”的一、二级火箭分离后，一级火箭返回地球的过程中，通常需要发动机进行二次点火制动，让一级火箭减速并调整姿态。当火箭再入大气层、速度降至每秒大约250米时，箭体上张开四个液压驱动的栅格翼，增强稳定性，当箭体下坠接近着陆时，发动机第三次点火制动，这时四条长达21米的碳素纤维及蜂窝铝合金着陆腿展开。整个过程通过GPS卫星制导来协助控制火箭朝着陆地点降落，最终着地精度在10米以内。　　“回收火箭的技术太复杂了。”庞之浩告诉《财经》记者，这要求火箭精确降落在回收平台时，还要保持垂直姿态。此外，要让火箭实现软着陆，其缓冲发动机的推力要实现精准控制。　　至少在一开始，SpaceX没有选择这条技术路线。SpaceX最早试图使用降落伞海上回收箭体，打捞后运回重复使用。遗憾的是，前两次发射中，这种着陆方式都以失败告终，火箭第一级再入大气层后便失去联系。分析认为，无控再入大气层的设计不可行，火箭第一级还未减速降低到降落伞开伞的速度和高度，就已经被撕碎解体了。SpaceX后来决定，为“猎鹰9号”火箭第一级增加冷气喷射的姿态控制系统维持再入姿态，在海上回收时，将14层楼高的一级火箭引导到足球场大小的一艘驳船上，受控垂直降落。　　走这条技术路径，首先要控制火箭姿态和落点精度技术。火箭在返回过程中，需要对其姿态不断进行控制，像火箭这样细高的形状，控制其姿态非常困难，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难了。　　其次，在一级火箭返回的不同高度，火箭质量会随着燃料的快速消耗而明显减小，因此，反推发动机需要采用不同大小的推力，以实现软着陆。着陆支架技术也是关键，在火箭回收过程中，必须使用着陆支架来减缓着陆时的冲击过载，使火箭稳定着陆。　　从四次失败的海上回收试验看，上述技术似乎还不成熟。然而，当着陆场转换到陆地上，奇迹发生了。2015年12月21日，“猎鹰9号”在成功发射Orbcomm电信公司的11颗通信卫星后，一级火箭成功实现陆上回收。这是人类历史上首次在载荷发射到太空之后，火箭成功软着陆返回地球。　　SpaceX的竞争对手——美国蓝色起源（Blue Origin），是另一家盯着廉价航天发射商机的私营太空公司，它的新谢泼德飞行器（New Shepard）也实现了火箭从太空返回的软着陆，时间是2015年11月23日，比SpaceX那次成功的陆上回收还早了近一个月。蓝色起源的老板，也就是亚马逊公司创始人杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）看中的是另一个市场，新谢泼德飞行器将首先服务于亚轨道太空旅游，最终实现廉价往返太空的目标。　　不过，与“猎鹰9号”相比，新谢泼德飞行器只能进行亚轨道飞行，没有能力将航天器发射入轨；其最高飞行速度仅有3.72马赫，而“猎鹰9号”的第一级分离速度为6马赫-7马赫。所以在技术实现难度上，蓝色起源的火箭回收低于SpaceX。　　庞之浩分析，陆地回收场面积大，回收精度要求降低，而且陆地稳定不晃动，气象条件更好，能明显降低回收难度。　　为何执着于海上回收？　　值得注意的是，新谢泼德有两次成功回收火箭，加上SpaceX的一例，三例都是在陆地上实现的。既然陆上回收有多个成功的先例，SpaceX为何还在2016年1月和3月的两次发射中，依然坚持采用技术难度更大的海上回收呢？　　SpaceX是迫于无奈。由于发射场的地理位置在美国东部海岸，大部分运载火箭都需要从东部海岸向东发射，运载火箭各子级在完成使命并分离后，由于惯性会继续向前向上运动，最终会落到距离发射点很远的大西洋(6.850, 0.00, 0.00%)某处。因此，最节省推进剂的回收方式就是将回收平台搭建在火箭子级的自然落点附近。　　在陆上回收中，一级火箭的飞行轨迹截然不同。“猎鹰9号”那次成功回收中，火箭是从佛罗里达州卡纳维拉尔角的40号发射场升空，当一级火箭与二级火箭分离后，进行了一系列翻转和机动，最后返回了佛罗里达海岸的航天中心，与发射台相距不到10公里。　　显然，由于陆上回收的路径太长了，一级火箭的陆上回收，需要耗费大量燃料，从而增加成本。只有当运载火箭所承载的载荷比其最大运载能力小很多时，一级火箭中剩余的推进剂又足够多，才可以在一级火箭分离后使用较多的推进剂改变其速度和方向，从而能够返回发射场附近，采用陆地回收。　　陆上回收要考虑更多的地面因素，尤其是着陆失败可能给着陆区域造成的损害。因此，陆上回收需要事先取得美国联邦航空管理局和美国空军的批准。　　SpaceX副总裁莱·罗森（Lee Rosen）曾经提出，在美国得克萨斯州建立发射场的想法，这样就可以在佛罗里达州陆地上回收火箭。然而，这一方案面临着不利因素。佛罗里达州由于人口稠密，且南北方向长度有限，不是理想的降落地点，不能满足发射场对多射向的基本要求，而只能满足特定的发射任务；对于一些高倾角的发射任务，一级火箭的自然落地点就会超出佛罗里达范围，又要掉到海里去了。　　杨宇光认为，如果SpaceX能在澳大利亚西海岸建立商业航天发射场，一级火箭的回收地点就可以选在地广人稀，且较为平坦的澳大利亚内陆，这也可以在很大范围内满足不同轨道类型对发射方向的要求。　　对此，SpaceX有顾虑。国际宇航联空间运输委员会的一位秘书告诉《财经》记者，SpaceX不想在澳大利亚选址，可能是顾虑管理方面的问题，毕竟得克萨斯位于母国，出现问题便于及时解决。　　从长远考虑，澳大利亚是个合适的发射场所，也许随着廉价太空探索技术的成熟，各国之间通过国际合作来达成此事。2016年，SpaceX是否能够顺利完成前述目标，还需拭目以待。

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