这辈子还有机会去太空旅游吗？航天新时代的开启—猎鹰9号

两年前SpaceX的猎鹰9号火箭携带着送到国际空间站的比罗格可扩展活动模块（BEAM）从卡纳维拉尔角航天基地腾空而起。8分34秒后猎鹰9号的第一级火箭以近乎完美的弧形轨道降落在停泊于佛罗里达外海的“当然我还爱着你”号靶船上，猎鹰9号成为世界上第一个在海上成功回收的火箭。就这样，SpaceX又一次刷新了航天历史。

要说猎鹰9号的传奇，还要从SpaceX这个公司说起。2002年埃隆马斯克，这位已经通过PayPal和特斯拉电机公司而出名的商业鬼才，创立了私人航天公司SpaceX。在创立之初SpaceX便宣称要降低火箭发射成本，进而使商业航天成为可能。

作为现代化科技中耗资最高且风险最大的行业，航天产业自伊始便由政府资助，虽说从客观上来讲确保了航天的安全性，但也无形中增加了成本。以阿波罗登月计划中出名的土星5号火箭为例，为了换取迄今为止仍未被打破的运载量，土星5号单次发射价格高达1亿8千5百万美金，注意这还是1970年的美金，换算成2016年的价格大约是11亿3千万美金。

▲11亿美金就这么飞了

显然私人商业企业要想进入航天领域，降低发射价格势在必行。这里有人会问了，为啥发射个火箭价格那么贵？这很好解释。如果每次开完车后都要买一辆新车，那开车的价格势必也会飞涨，而航天发射正是每次买辆“新车”。

▲动量守恒公式，m代表质量，v代表速度。

m1可以理解为燃料质量，m2为火箭所运载货物质量

而买“新车”的根本原因在于，根据动量守恒定律，物体的质量越大，相同动量下的速度就越慢。对于需要高速脱离地心引力的火箭来说，必须要携带大量燃料来提供充足的推力，但燃料也会增加火箭自身的重量，进而降低速度，而为了增加速度则要携带更多的燃料，这就进入了一个死循环。解决的方式便是俗称的“烧完扔”的形式，在一级燃料燃烧完毕后将燃料罐和引擎一并扔掉，降低火箭整体质量便于下一级火箭的加速。每次发射都将造价高昂的火箭引擎抛弃，也就是每次发射都要再造新的引擎，价格怎能不高？

▲SpaceX的火箭工厂

SpaceX的解决方案为使用更廉价且质量更轻的铝锂合金复合材料制造火箭，同时开发可回收火箭，避免每次买“新车”的高昂消费。当然可回收的想法并非原创，说到可回收的航天器几乎所有人都会想到航天飞机，不过此种说法并不准确。航天飞机是包括轨道器，燃料箱和助推火箭在内的一套系统，而这其中可回收再利用的为轨道器和助推火箭。

▲航天飞机助推火箭伞降触海瞬间

轨道器是再熟悉不过的滑翔降落回收，固体燃料的助推火箭则是通过放置在火箭顶端的降落伞伞降回收。尽管如此由于自身复杂的系统，航天飞机单次发射价格依然很高，根据NASA公布的数据，航天飞机平均发射价格以2011年美金计算为4亿5千万美金。

▲4.5亿美金就这么飞了

不愿意接受常理的马斯克并不打算让SpaceX的猎鹰系列火箭效仿航天飞机助推火箭伞降回收，而是让第一级火箭发射后反向降落返回到地面。举例来说，这就好像用标枪从地面射中挂在迪拜塔顶端的靶子，然后再让标枪安全返回地面一样。为了完成此举，SpaceX也走了条其他火箭都不曾走过的道路，那便是刻意增加火箭引擎的数量。

▲图中可以看到猎鹰9火箭8引

擎环绕核心单引擎的布置方案

火箭引擎在工作时需要承受燃料燃烧后极高的温度和喷射时产生的巨大压力，非常容易发生故障，因而一般火箭设计都尽可能减少引擎数量。这方面的反例可以参考苏联的N1/L3火箭，由于第一级串联了30台NK-15引擎，使得其故障率极高，四次发射均告失败。

▲发射失败的N1火箭，其第二次发射

失败导致了人造最大当量非核爆炸

既然如此为何猎鹰9还要刻意增加引擎数量呢？原因在于其回收的需要以及全新的并联技术。猎鹰9可以采用洛克达因火箭引擎公司的RS-25或者RS-68大推力引擎，但单一引擎推力过大，无法在火箭返回时启动进行减速，猎鹰9火箭最终选择了自研的梅林-1火箭引擎。

▲梅林-1引擎试车

虽说梅林-1引擎在推力上与RS-68相差甚大，但猎鹰9第一级火箭同时使用9台，这使得其有充足推力起飞的同时，还可在返回时启动核心单引擎进行减速。同时猎鹰9的9台梅林-1引擎采用的是不同于N1火箭的并联模式，及单一引擎非爆炸式故障并不会影响到其余引擎，事实上猎鹰9可以在最多2台引擎故障的情况下依然完成发射任务。

▲横向组装完毕的猎鹰9

而真正让猎鹰9出名的，是其低廉的发射成本所带来的商业化航天模式。早在猎鹰9火箭回收测试成功前，SpaceX便通过批量使用复合材料以及商业化管理模式大幅度降低发射成本，获得了NASA的青睐，赢下了向国际空间站输送补给的订单，迄今为止已成功输送6次。猎鹰9单次发射价格仅6千1百万美金，包括SES，Eutelsat和Orbcomm在内的诸多卫星公司都先后购买了SpaceX的发射服务。根据2013年的测算，SpaceX送入近地轨道的价格每千克仅4109美金，远低于Atlas V的13182美金和阿里安娜5的10476美金，甚至要比以廉价著称的俄罗斯联盟号（5357美金）和质子M（4302美金）还要便宜。如果SpaceX可以将猎鹰9的回收成为常态的话，发射价格还会进一步降低，甚至有望到达每千克2000美金以下。

▲猎鹰9不同版本的数次商业发射

在已有科技的基础上，SpaceX还在对猎鹰9进行进一步开发，包括增大火箭燃料箱，使用更低温的液氧增加推力，以及更先进的高超音速稳定翼。这四个安装在猎鹰9第一级火箭顶端的稳定翼可以在火箭降落时的高超音速环境下展开，通过空气动力调整降落姿态和角度。此次海上的成功降落，这些气动稳定翼功不可没。

▲张开状态下的稳定翼

2016年3月4日猎鹰9将重达5271千克的SES-9通讯卫星送到了距离海平面35786千米的地球同步轨道上，再一次证明猎鹰9不仅是廉价的低轨道发射载具，还是具备大载重高轨道发射能力的重载火箭。而4月8日成功完成的海上回收，更奠定了猎鹰9未来竞争中的绝对优势。

▲完整猎鹰9海上第一

级火箭回收示意图

海上回收和陆上回收相比缩短了猎鹰9号第一级火箭的降落距离，减少降落所需燃料，更多的燃料得以用来将货物送入更高的轨道。现在全世界尚未有另一款能在实际发射后返回陆基平台的火箭，不仅具备陆上回收还具备海上回收能力的猎鹰9可谓早已遥遥领先。

▲4月8日猎鹰9海上降落图

而这种领先与优势，不仅不在缩小反而在进一步拉大。2016年11月SpaceX计划发射猎鹰9重型版，此型猎鹰9将平行安装三个猎鹰9一级火箭以提供更大推力，SpaceX也计划将三个火箭全部回收。不过届时哪怕回收失败，猎鹰9重型版也会以近地轨道53吨的负载超过德尔塔IV重型版的28.8吨，成为现役运载量最大的火箭。猎鹰9号要开创的第一，还远未结束。

▲从左到右：猎鹰9“龙”式飞船无人版，

猎鹰9“龙”式飞船载人版，猎鹰9货

运版，猎鹰9重型运载版

伴随着每一次成功的不仅是荣耀和赞美，还有失败时的痛苦以及火箭研发背后艰辛的探索历程，就连SpaceX的员工都将火箭降落靶船命名为“当然我还爱着你”以自嘲之前6次失败的海上降落，同时纪念上次因火箭爆炸而严重受损的“读说明书即可”号靶舰。当26吨重的猎鹰9号第一级火箭落到“当然我还爱着你”号的平台上时，猎鹰9号又一次创造了第一。

▲充满自嘲意味的降落靶舰

“OfCourse I Love You”号（当然我还爱着你）

▲2016年1月17日因火箭降落后侧翻爆炸

而严重受损的“Just Read the Instructions”

号标靶着落舰（读说明书即可）

反观SpaceX和猎鹰9号的传奇，从08年第一个入轨成功的私人公司，到10年第一个与ISS对接的私人飞船，到15年12月22日第一个在实际发射中回收第一级火箭，再到16年4月8日第一个完成海上火箭回收，SpaceX的每一次第一，都克服了无数困难并打破了无数质疑。2年前那些还在怀疑猎鹰9回收模式可行性的各路“专家”们现在是否也该考虑下，SpaceX屡次看似不可能的科技创新，是如何成功的？

猎鹰9号开启的航天新时代，才刚刚开始。也许不久的未来，随着去外太空的成本大幅下降，普通百姓们的航天之旅也不那么遥不可及。