独家：可重复使用运载器的意义、难点和前景

航天 · 2016-11-22 23:47:44

（中国太空网讯）编者按：2015年12月26日，“远望智库”联合《国际太空》《军事文摘》杂志，以及“微言航天”和“战略前沿技术”公众号，在北京共同主办了首届“远望论坛”，论坛邀请了国内航天界七位知名专家，围绕“SpaceX公司对中国航天发展的启示”进行了专题研讨（【远望论坛】SpaceX公司对中国航天发展的启示·北京）。　　可重复使用运载器的意义、难点和前景　　庞之浩　　（2015年12月26日在《远望论坛》上的发言）　　2015年12月22日，美国太空探索技术公司的猎鹰9号火箭在世界上首次成功进行第一级有动力垂直回收，在全球产生了巨大影响。下面，我就此事的意义、难点和前景谈谈自己不成熟的看法。　　一意义重大　　1经济意义 　　首先是其经济意义，最大的意义也是经济意义。因为目前的火箭都是一次性使用的，成本很高，运用一公斤东西上天大概要一两万美元，所以这就大大限制了开发太空的规模和效益。而猎鹰9号实际上目前已经是最便宜的运载火箭了，它报价是5000万到6000万美元，比其他的都便宜。但是如果能够回收，它就能大大地降低成本，据悉，如果能够回收第一级并且重复使用，就可以使火箭的成本降低80%。如果能够回收第一级和第二级，能够降低成本到98%。因为整个火箭燃料费用成本只有20万美元，所以如果能够回收的话，再重复使用，就可以大大降低成本。　　研制可重复使用火箭的第一步就是回收火箭，现已迈出，以后还要多次试验，由成功变为成熟，包括在海上平台上回收；今后还要突破和掌握回收第二级技术，从而奠定可重复使用火箭的基础。但是否需要回收第二级还应综合考虑，进行多方面论证，因为第一级火箭是有九台发动机，回收的难度比第二级可能还要容易点，第二级回收的难度既大，而且只有一台发动机，所以在经济不一定合适。最后是突破和掌握经过对回收后的火箭进行低成本维修后的重复使用技术，不能走航天飞机老路，打造真正能商业化的低成本重复使用火箭。　　另外，由于可重复使用火箭可使每次发射的费用大大降低，这就意味着能设计比现在便宜得多的卫星，而不必再花费大量资金来确保其长寿命的工作状态，因为发射费用很便宜，如果卫星坏了，再发射一颗填补空缺便是。　　还有,回收火箭还能保障地面人员和财产的安全。回收火箭也可以保护环境，因为一些火箭的燃料是有毒的，每次发射后会残留一些。　　其实，降低航天成本还有很多方法，例如，在轨组装、制造、维修、加注，就地取材、闭环使用等。比如现在国际空间站上已经有3D打印机了，已打印出零部件。　　在当今的时代，不能够一味地追求技术的先进性，而且还要考虑经济性和可靠性。像航天飞机技术很先进，它不经济、很贵，原来设想的是飞一次只需三千万到四千万美元，但实际上由于它的维修量非常大，每次飞行成本4亿到5亿，而且非常不可靠，研制了五架，损失了两架，还牺牲了14名航天员，所以经济性是非常重要的，可靠性也是非常重要的。　　还有包括大家知道的“铱星“也是，技术上很先进，但是由于太昂贵，所以很难进行商用，现在主要用于军用，以及用于探险和救灾的特殊领域。 　　2技术意义　　这次回收火箭成功，除了有经济意义以外，还有重要的技术意义，在人类历史上率先验证了轨道运载火箭的回收技术，为未来打造可重复使用运载火箭，大大降低运载火箭发射成本奠定了重要技术基础。低成本进入太空是人类很久以来的一个梦想，而回收运载器、回收航天器后的重复使用是一个重要的手段，这不仅是商业上的需求，也是载人航天的需求，还是科学上的需求。　　其实回收这个思路和做法并不新鲜，人类已经进行过大量的回收活动。大家都知道的，航天飞机和宇宙飞船都是回收的，因为有人必须得回收。美国曾发射过135架次航天飞机，成功回收133架次，苏联也回收过1次暴风雪号航天飞机。美苏都多次回收过大量载人飞船，只失败过2次，我们国家成功回收了所发射的10艘载人飞船。货运飞船大部分是不回收了，只有美国的“龙”飞船是回收的，因为它要带回一些实验样品来。各类返回式卫星是回收的，美苏都多次回收过返回式卫星和载人飞船，我国曾成功回收过22颗返回式人造卫星。　　但是，由于尺寸、外形等原因，我个人认为回收火箭的难度要远大于航天飞机和卫星、飞船的回收。因为越是细长的东西，越不好控制其姿态，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难。　　比如就火箭来说，在猎鹰9号之前，今年11月，美国蓝色起源公司成功回收了一个叫“新谢泼德”的亚轨道运载火箭，但是它的回收难度远远低于猎鹰9号。除了飞行高度、飞行速度还有能量以外，其中它们的外形差得很远，“新谢泼德”只有20米高，是个矮墩子，而猎鹰9号第一级就是48米，越是细长，回收时的控制难度就越大。　　关于回收技术，有四种回收方式：一种是降落伞垂直下降，第二种是动力反推垂直下降，第三种是无动力滑翔飞行，第四种是有动力滑翔飞行。猎鹰9号是采用了第二种，美国航天飞机是采用的第三种，暴风雪号是采用的第四种。据最新报道，航天一院也开展火箭回收技术的研究。2015年11月下旬，该院成功完成了运载火箭子级回收群伞空投试验，这标志着我国运载火箭在部段回收技术上取得了新的进展，离实现可重复使用又近了一步。一院采用的是第一种，返回式卫星、可回收的飞船也是采用这种。　　其实最早进行有动力控制回收试验的是美国的“三角快帆”，但是它成功进行了三次试验，进行第四次试验失败以后，美国就停止了试验。先进的运载器回收技术对航天器的回收也是有借鉴意义的。例如，返回式卫星现在基本上都用得很少了，目前主要用传输式卫星，但是现在又有人提出研制可重复使用返回式卫星，因为返回式卫星如果能重复使用的话，这样就大大降低了成本。返回式卫星还是很有用的。像空间站有些生物实验和生命科学实验等，在太空停留时间不能太长，而要在空间站上进行，返回一次时间比较长，所以这种短期实验用返回式卫星比较合适。如果用可重复使用返回式卫星的话，成本很低，就能比较经济的开展这方面实验了。　　3商业模式　　第三个意义就是再次证明采用商业模式运营很重要,具有广阔的前景。太空探索技术公司已把许多不可能变成可能。该公司自创立以来取得的低成本为“国际空间站”货物运输服务，开展商业卫星发射业务等一系列成就，以及这次成功回收火箭都证明了这一点。航天采用商业模式发展有利于创新突破、有利于降低成本、有利于高速发展。马斯克创建太空探索技术公司的目的是以低成本火箭发射与国家主导的航天机构竞争，抢占商业发射市场。马斯科对媒体说：我们将迫使其他火箭发射公司要么研发更好的新技术，要么退出发射市场。　　这是因为私营航天公司管理机制灵活、高效，所以私营商业飞船研制周期短，成本也比政府研制的飞船低，并敢于采用先进的技术。除了授予天地往返运输项目外，美国航空航天局还对太空探索技术公司提供了技术和资金以及发射场等方面的支持　　刚开始，许多人对美国航空航天局把价值1000亿美元的“国际空间站”托付给商业货物及人员运输服务的计划颇具争议，认为由私营公司研制的商业航天运输飞船难以保障载人航天的安全性，但太空探索技术公司通过展示在没有成本加成合同和严格政府监管的情况下所能完成的工作，改变对载人航天计划商业化策略的质疑对的质疑，给公司带来了极大的可信性，在全球成功开创了商业载人航天的新模式。分析表明，类似的计划如果按美国航空航天局的传统模式进行采购，成本将比现在高出4～10倍。太空探索技术公司的航天发射成本要比之前的政府主导时代的低得多，发射“龙”飞船的猎鹰9号火箭售价仅6000万美元，只是传统政府承包商要价的1/3。猎鹰9号火箭也已低成本挤进商业卫星发射市场，甚至用于发射军用卫星，迫使美国取消对进口俄罗斯RD-180发动机的禁令，从而重启太空探索技术公司和联合发射联盟（ULA）对国防部发射合同的竞争。　　还有一个典型数据，猎鹰9号火箭从绘图版到发射只用了4年半的时间，研发费用仅略大于3亿美元，而美国政府投资的改进型一次性运载火箭开发费用花了35亿美元。从零开始的龙飞船从绘图版到首次发射只用了4年时间，研发费用也有3亿美元，而且能够返回，而日本HTV货运飞船开发费用花了8.5亿美元，而欧洲ATV货运飞船开发费用花了19亿美元。马斯克认为，是因为现有各国航天机构深受官僚主义繁文缛节的束缚，更灵活的商业公司开展航天活动可以大幅度降低航天发射费用。　　2015年10月7日，吉林1号组星升空，标志着我国航天遥感应用领域商业化、产业化发展迈出了重要的一步。卫星是我国首批自主研发的商业高分辨率遥感卫星，其中的光学A星全色分辨率达0.72米，这在在国内民商用遥感卫星中是最高的。　　4高效管理　　高效管理也是太空探索技术公司成功的重要原因。2005年11月，太空探索技术公司员工为160人，2008年7月增至超过500人，现在也只有大约1700人。这样少的人数是为了降低成本。马斯科认为,高价格的太空发射服务,其部分原因是不必要的官僚架构。　　马斯克认为：航天工业的低效率是导致航天成本高昂的主要原因。此公司有先进的管理理念，如采用高效扁平化管理结构，没有官僚主义色彩，从而在提高效率的同时可以维持较低的日常开支。企业高度一体化，有意识模糊部门的界限以促进信息交流，员工经常在工作场所小范围讨论交流。新进的员工都可以持有公司的股份，这样每个人都与公司同荣辱共命运。这些都为运载器和航天器的研制提供了重要保证。　　除马斯克以，太空探索技术公司的主要负责人来自洛马、波音、诺格等航天企业，他们都有丰富的航天领域工作经验，属于业内精英，是一支精干的团队组织。另外，该公司的一个特点就是采用优秀个体组成的小型团队。太空探索技术公司打造了一支极具凝聚力的团队，其负有交叉培训和多种功能性职责，团队中每个人都可以更多地参与开发过程。　　5三大特性　　该公司具有许多创新的思维和理念，采用了许多创新的设计、技术和管理方式。公司重视实施有效的系统工程，在型号研制中强调低成本、高可靠和快速响应三个方面的特性。例如，　　“猎鹰”火箭采用了高可靠性工业执行元件，而没采用成本高5倍的航天级元件。　　高可靠也是太空探索技术公司十分强调的，为此，该公司将每一阶段的产品均进行完整的系统试验，并且在关键部件上有多重备份，猎鹰9号第一级采用9台发动机就是个例子。　　该公司还强调运载火箭的快速发射能力。其猎鹰9号火箭的发射准备周期为两个星期，而其他公司火箭的发射准备周期为则至少2个月。　　当然，不断开发新技术并大胆采用也是很重要的。例如，“猎鹰重型”火箭采取了助推火箭和芯级火箭交叉供给推进剂技术。　　下面简单谈一下难点和前景。　　二回收难点　　1关键技术　　要实现运载火箭的动力反推垂直回收需攻克两大关键技术。　　第一是控制火箭姿态和落点精度。因为越是细长的东西，越不好控制其姿态。有人形容其难度犹如“在狂风中让扫帚柄直立于手掌上”。在返回过程中，猎鹰9号第一级火箭是通过箭上的液氮推力器来调整姿态的，使其几乎没有任何滚转，在降落过程中一直与地面保持垂直状态。　　第二是火箭发动机要具有推力可调和多次启动的功能，以便软着陆。猎鹰9号是通过主发动机3次点火制动来减速来控制火箭的下落速度，由1300米/秒减速为2米/秒。　　未来还要攻克另一大难关，即火箭回收后只需经过简单低成本维修和加注燃料就能重复使用，再次发射。目前的运载火箭发动机都是一次性使用的，只有航天飞机实现了部分重复使用。航天飞机的轨道器可重复使用100次，轨道器上的主发动机可重复使用50次，固体助推火箭可重复使用20次。但航天飞机的轨道器在每次飞行后，要经过几个月的维修并耗费大量资金，因而没能降低成本。所以，必须研制出类似普通飞机发动机那样可重复使用的火箭发动机，且每次回收后的维修成本和时间必须很少才行，至少能够重复使用10次以上，这是极大的挑战。　　2主要改进　　虽然2015年1月和4月回收猎鹰9号第一级火箭的试验都失败了，但回收试验已接近成功，主要原因是约14层楼高的火箭第一级没有受到充分控制，下降速度过快或于横向速度过大，最后在着陆时翻倒并撞向海上回收平台，但火箭第一级在从太空返回地面时能够得到精确控制。　　为此，在2015年12月的回收试验中进行了多项改进。例如，采用了升级版猎鹰9号又称为猎鹰－9 v1.2执行发射任务，与此前的猎鹰－9 v1.1相比，猎鹰－9 v1.2增加了动力30%，从而可在发射有效载荷后，仍有较大动力使火箭第一级在着陆平台上降落并回收。为了多带燃料，把燃料箱的温度降低了，这样燃料的密度就增加了，就可以多带一些燃料。放弃了之前在海上回收平台上回收的做法，改为在陆地上回收，因为陆地回收面积大，且稳定不晃动，气象条件更好，能明显降低回收难度。　　三未来前景　　2016年1月，猎鹰9号将把SES-9卫星送往地球同步转移轨道，这要求火箭有更大的动力，到时该火箭第一级很可能在海上回收平台的软着陆，因为陆地回收地点比较远，离它的发射地点有10公里，所以回收用的燃料可能不够。而在海上着陆情况比较复杂，难度大。下一发火箭是否在海上成功回收还难说。　　2016年将发射首枚“重型猎鹰”，并进行第一级火箭与助推器的回收试验。其近地轨道运载能力达53吨，这对未来耗资巨大的载人火星飞行、地外星球表面火箭重复利用等至关重要，因为如果回收成功，可以大幅降低载人火星任务的成本，将总开支降低一至两个数量级。　　如果成功的话，马斯克会宣布他的载人火星探测计划，他要抢在美国航空航天局的前面实施，美国航空航天局是定在2035年载人登火星，马斯克可能定在2025年。总之，马斯克的很多经验很值得我们借鉴，尤其是商业模式、先进理念、高效管理等。我想咱们一些民营大公司以后能不能介入我们的航天产业。还有就是马斯克确实是从美国航空航天局弄到一些技术，有些是航空航天局研制出来不敢使用，或者是怕冒风险，民营航天公司敢用。比如美国有个比格罗（音）公司，它从美国航空航天局低价购买了充气式太空舱专利，美国航空航天局不用，就卖给了比格罗公司，比格罗公司可能作为商业旅馆要用，而且可能是明年就要发到国际空间站上试验一下。这种模式倒是也对，国家不仅给民营航天公司任务，还在资金上和技术上给予支持。罗马不是一天建成的，民营航天公司发展有一个过程。　　由于时间关系，我今天的报告就到这里，谢谢大家。　　作者简介　　庞之浩，北京空间科技信息研究所研究员，《国际太空》杂志执行主编，中国空间科学学会空间探测专业委员会首席科学传播专家，中国卫星应用产业协会首席专家，北京科普创作协会副理事长，中国遥感应用协会专家委员会委员。

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