美国成功实现“猎鹰9”火箭二次发射

资料图：“猎鹰9”火箭海上回收。 

中国网新闻4月5日讯 据美国CNN报道，当地时间3月30日18时27分，美国太空探索技术公司（SpaceX）利用“猎鹰9”（Falcon 9）火箭将一颗卫星成功发射上天，这是人类太空史上首次对已发射过的火箭进行重复利用。据悉，太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭成本约为6200万美元，重复利用意味着将极大地降低火箭单次发射的成本。美国太空探索技术公司首席执行官埃隆·马斯克表示，“这对整个航天领域都是不可思议的一天，它意味着我们可以一次又一次发射轨道级火箭最昂贵的第一级，最终它将带来航天上的巨大革命。”

SpaceX：私人公司介入国家航天发射活动的“先行者”

太空探索技术公司是由美国亿万富翁埃隆·马斯克(Elon Musk)于2002年创建，借创业精神融入到航天探索当中去，而在此之前，美国航天发射活动几乎完全由政府机构控制。埃隆·马斯克是在线支付系统PayPal的创始人，他消除官方机构的严谨程序，加快实施速度和减少成本，宣称将火箭发射的成本降至传统方法的十分之一。太空探索技术公司主要设计、测试和制造航天运载系统内部部件，如Merlin、Kestrel和Draco火箭发动机。它开发了可部分重复使用的“猎鹰1”和“猎鹰9”号运载火箭，同时开发的Dragon系列航天器由“猎鹰9”发射到轨道。

2008年，太空探索技术公司获得美国航空航天局（NASA）正式合同。2012年10月，太空探索技术公司龙飞船将货物送到国际空间站，开启私营航天的新时代。作为私营航空公司，太空探索技术公司发射费用低廉成为公司一大优势，为了进一步降低成本，马斯克考虑将火箭做成可回收的。马斯克表示：“传统的运载火箭是一次性使用的，在发射后坠回地面，或在大气层中燃烧殆尽，往往只剩下一些金属残片。而垂直起降的运载火箭在落回地面后，只要稍加修复，重新加注燃料就可再次发射，大大降低了发射成本。”——然而，他在说这一席话时尚没有任何一台发动机实现了复用。

2014年10月，太空探索技术公司宣布，它的“草蜢”火箭在月初的试验中创造了一项新纪录：火箭由发射台点火后飞到744米的空中，然后又垂直降落回发射台。这家企业在其网站上公布了7日进行的试验视频，整个试验过程持续78．8秒，火箭降回地面后外观完好。与传统运载火箭相比，“草蜢”外形上最大的不同是带有四条钢铝结构的“腿”，它们带有液压减震器。这四条“腿”使火箭能抵御垂直落回地面的巨大冲击而不致严重损坏。太空探索技术公司指出，“草蜢”的试验是这家企业研发垂直起降、完全可重复使用运载火箭的“关键一步”。这家企业正在开发其“猎鹰9”运载火箭的可重复使用版本，并在2014年9月底的一次发射中，成功回收“猎鹰9”的部分一级火箭。

2015年1月6日19:20，由太空探索技术公司研制的“猎鹰9”运载火箭原本计划在美国卡纳维拉尔角空军基地发射升空，但在倒计时进入1分钟时发射任务被紧急中止，太空探索技术公司称，故障原因是火箭的“二级推力矢量控制驱动器发生飘移”。经过修正，当地时间2015年1月10日4时47分，“猎鹰9”火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。但是，火箭海上回收尝试以失败告终，火箭在海上浮动平台硬着陆并损毁。这是该公司继2015年1月后，遭遇的又一次火箭海上平台软着陆回收失败。

回顾“猎鹰9”的回收历程不难发现，其失败次数远多于成功的次数，直到2016年4月9日才完成真正意义上的海上回收。北京时间2016年4月9日凌晨4时52分，“猎鹰9”搭载龙飞船顺利升空，一级火箭助推器分离之后，再次尝试难度极高的海上回收任务。在此前多次尝试失败后，一级火箭稳稳降落于名为“我依然爱你”的海上平台，完成历史性突破。

“猎鹰9”运载火箭为美国深度探索外太空“启航”

以重返月球为首要目标，美国小布什政府提出于2005年开始实施“星座计划”，计划研制一系列新的航天器、运载火箭以及相关硬件，帮助美国人在2020年重返月球，进而飞向火星。美国前总统奥巴马上任后取消了这项计划，提出2025年登陆小行星，2030年将人类送上火星。

在美国航空航天局（NASA）取消“星座”计划后，奥巴马表示，将在未来5年内为NASA再投入60亿美元，用于鼓励使用商业火箭，并将国际空间站的寿命最低延长至2020年，使NASA的任务重心从重返月球中解放出来。而作为这一计划的里程碑式成果，2010年6月4日，太空探索技术公司用自行研制的“猎鹰9”运载火箭，将“龙”号载人飞船的模型送到了地球轨道。

“猎鹰9”火箭为一款两级液体运载火箭，比“猎鹰”-1大不少，从两者的直径看是12英尺对5.5英尺。“猎鹰9”第一级采用了9台“灰背隼”液氧煤油发动机，第二级采用了1台增强型“灰背隼”发动机，只不过第二级比第一级稍短。它们的顶端和外层采用航天常用的超强度铝锂合金材料制造，并在后盖上面盖了特制的挡热板，用以保护“猎鹰9”第一级和第二级在重再入地球大气层时免遭损坏，这样便可以回收再利用。

作为一款私人公司研发的运载火箭，“猎鹰9”有着令人难以置信的运载能力。在卡纳维拉尔角发射场，“猎鹰9”的近地轨道（LEO）运力为10450千克，同步转移轨道（GTO）运力为4540千克；在纬度较高的夸贾林环礁，“猎鹰9”的LEO运力为8560千克，GTO运力为4680千克。从太空探索技术公司成立到“猎鹰9”号的发射成功总共不到10年时间，从中可充分看出美国航天的雄厚基础。

在运载能力方面，与“猎鹰1”相比，“猎鹰9”运载能力要强得多，这很大程度上要归功于“煤油－液氧”推进剂较“偏二甲甲肼－四氧化二氮”推进剂的先天优势，“猎鹰9”和“猎鹰1”一样都采用两级构型，未来的“猎鹰9”HLV（重型版）将采用两级半构型。“猎鹰9”采用了更强劲的上面级（即第二级），有两次启动能力，推力调节范围很大。尽管煤油－液氧推进剂加上燃气发生器循环在排气速度上存在不足，但通过大幅提高喷管的膨胀比，太空探索技术公司用最简单的方法和最低廉的成本获得了可以接受的真空比冲。

“猎鹰9”采用了通用助推器（CBC）概念，通过捆绑两个与芯一级直径相同的模块，“猎鹰9”重型版可达到30吨级的LEO运力。“猎鹰9”利用CBC的概念总共只有一种下面级，而且“猎鹰1”、“猎鹰1e”、“猎鹰9”和“猎鹰9”HLV四种运载火箭构成的整个“猎鹰”系列，只有“灰背隼”1C一种起飞发动机，以及“猎鹰”-1系列使用的“茶隼”（Kestrel）和“猎鹰9”系列使用的高空版“灰背隼”两种上面级发动机。由于发动机型号数量，这使太空探索技术公司可使用批量生产的方式来降低成本和控制质量。

“猎鹰9”火箭二次发射对降低航天发射成本具有开创意义

在可重复使用火箭技术领域，包括俄罗斯、中国在内的多个国家都在开展探索，但探索的方式和途径不同。目前，国际上提出的火箭回收方式包括伞降回收、气囊回收等。太空探索技术公司采用的垂直回收方式是其他国家及航天公司从来没有用过的，它既不像航天飞机那样水平回收，也与航天飞机助推器借助降落伞回收不同。

太空探索技术公司创始人、首席执行官埃隆·马斯克要求公司的工程师们打造浮动的海上火箭降落平台（ASDS），并研究液体燃料火箭在发射任务后“如何自动并垂直降落于降落平台”的技术。该平台由于可以移动也被称为“自主航天港无人驾驶船”，长91米，宽52米，装有可移动平台的推力器，这个在深海钻井平台基础上改进而成的平台即使遇到风暴，其位置保持精度也能控制在3米以内，它还具备为返回的第一级火箭加注燃料的能力，以便重复使用。

这项回收技术的困难度在于，“猎鹰9”火箭高度约14层楼，爬升时的速度达1600米/秒，要让直线上升的火箭“毫发无伤”地垂直下降，按照技术人员的说法，这犹如“狂风中让橡胶扫帚柄直立于手掌上”。另外，火箭垂直返回海面，对姿态控制要求较高，复杂海况如天气、海浪等也会对火箭着舰稳定产生影响。

航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩称，“该公司采用的回收方式是其他国家及航天公司从来没有用过的。既不像航天飞机那样水平回收，也与航天飞机助推器借助降落伞回收不同，而是垂直回收。”他表示，该技术难度很大，首先要让火箭精确降落在回收平台上。这一点目前已基本实现，火箭的返回精度已达到十米左右。同时要控制火箭的垂直姿态，这需要借助横向推力器来实现，庞之浩将此喻为“杂技般的平衡”。

太空探索技术公司为何执着于火箭的海上回收呢？这是因为海上有陆地回收不具备的优势。各国发射的火箭几乎都是向东飞行，飞行过程中子级火箭分离时运行轨迹都在斜上方，分离后子级火箭会继续向斜上方飞行一段距离，随后沿抛物线自然落下，其落点位置要比分离时更远离发射场。海上回收使火箭不需要消耗宝贵的燃料飞回陆地着陆场，直接自然降落即可，驳船可以提前在火箭落点位置停泊等待，火箭可以将剩余燃料消耗在最重要的降落减速上，确保着陆成功。

据国际航天专家估算，目前将1千克物品送入太空的成本至少为1万美元，重要原因就是发射航天器的运载火箭是一次性使用的。“猎鹰9”火箭的总造价约为5000万美元，而其推进剂的成本只有20万美元。如果能重复使用，就可以大大降低成本。如果能回收并重复使用第一级，可节省80%的资金；如果第二级也能回收并重复使用，发射成本将降至当前的1%。

太空探索技术公司不断尝试的最大原因，就是考虑到商业航天的经济性。从大方面说，只有解决了回收再利用难题，才能让大型航天器便捷地驶入更加遥远的太空。从应用层面说，如此力压成本可使人造卫星的研制费用便宜得多；回收火箭还能保障地面人员和财产安全，有利于保护环境。（谢武）