[科普中國]-SpaceX給航天界的啟示

航天發(fā)展的瓶頸在運載火箭，如何把一大堆很重的物體送入太空，一直是制約人類太空探索的難點。在大多數(shù)人的概念中，火箭就應(yīng)該是一次性產(chǎn)品，點火之后一飛沖天，把航天器（衛(wèi)星或飛船）送入預(yù)定軌道，火箭的使命就完成了。
然而，就在昨天，SpaceX成功實現(xiàn)獵鷹九號火箭回收，說明火箭重復(fù)利用的時代就要帶來了，這一消息在朋友圈快速傳播。

那么，SpaceX是如何實現(xiàn)火箭回收的呢？對未來的航天格局會有什么影響？又能對中國航天界帶來什么啟示？
在喧鬧的背后，需要我們逐一冷靜分析。
連戰(zhàn)連敗，終獲成功
在獵鷹九號的第一級火箭實現(xiàn)成功回收之前，是一連串的失敗。
2015年1月10日，獵鷹九號在執(zhí)行CRS-5發(fā)射任務(wù)時測試火箭回收技術(shù)。第一級火箭在發(fā)射后，落向大西洋上一艘駁船改裝的著陸平臺，雖然準確地命中目標，但由于下降速度過快，導(dǎo)致火箭在甲板上發(fā)生爆炸。
2月12日，獵鷹九號在為美國國家海洋和大氣管理局發(fā)射深空氣候觀測站（DSCOVER）衛(wèi)星時再次測試火箭回收技術(shù)。由于當時海上風浪很大，駁船被迫撤回，火箭雖然在海面上成功軟著陸，但最終落入水中。
4月14日，獵鷹九號在執(zhí)行CRS-6發(fā)射任務(wù)時再次測試火箭回收技術(shù)。雖然一級火箭準確著陸在駁船甲板上，但由于橫向速度過大，火箭未能在甲板上穩(wěn)穩(wěn)站立，最終導(dǎo)致傾覆爆炸。
6月28日，獵鷹九號第三次嘗試海上回收火箭。但這次更長，遭遇到了發(fā)射失敗，火箭以及給國際空間站運貨的飛船，統(tǒng)統(tǒng)在高空解體。
連戰(zhàn)連敗，SpaceX開始閉門思過，認真檢查每一個環(huán)節(jié)，改進設(shè)計方案。他們改進了發(fā)動機引擎和火箭的多級分離系統(tǒng)，并調(diào)整了燃料配方。
在此期間，美國另一家民營航天企業(yè)藍色起源公司的新謝潑德火箭實現(xiàn)了回收。雖然，新謝潑德火箭只是一枚探空火箭，只是在地球大氣層內(nèi)的亞軌道飛行，并沒有飛出地球大氣層，也沒有發(fā)射航天器的能力，只適用于開展商業(yè)太空旅游體驗。但相關(guān)輿論給了SpaceX很大的壓力。
閉關(guān)半年之后的12月22日，趕在圣誕節(jié)這一西方人最重要的節(jié)日之前。SpaceX再次測試火箭回收技術(shù)，終獲成功。

這是獵鷹九號的第20次飛行，也是設(shè)計方案升級后的第一次飛行。經(jīng)歷了重重失敗之后，所有人終于可以安心回家過新年了。
火箭成功發(fā)射，起飛后1分13秒，推進達到1馬赫；
1分24秒，火箭達到最大動壓；
2分20秒，火箭第一級關(guān)機；
2分24秒，火箭多級分離；
2分35秒，第二級火箭點火；
2分55秒，火箭整流罩分離；
4分鐘左右，第一級火箭返回飛行點火；
8分鐘左右，第一級火箭再次點火，火箭再入地球大氣層；
9分40秒，第一級火箭穩(wěn)穩(wěn)站立在發(fā)射場附近的陸上著陸平臺，火箭回收成功。
可回收火箭究竟難在何處
可回收火箭究竟難在何處？
難就難在十分復(fù)雜的電子系統(tǒng)上。電子系統(tǒng)是火箭的大腦，由遍布箭體的各種傳感器獲取火箭飛行的各種參數(shù)，然后通過信息匯總、計算，及時調(diào)整飛行方案，這一過程類似大腦的思考和決策過程。通過各種控制部件，執(zhí)行指令，這一過程類似大腦控制我們身體上的各種運動器官。
獵鷹九號火箭實現(xiàn)成功回收，足以證明該型火箭的電子系統(tǒng)十分強大。
獵鷹九號的第一級火箭共有九臺發(fā)動機，發(fā)射的時候九臺發(fā)動機一起點火，用大推力使火箭擺脫地球引力升空。而在回收著陸的時候，獵鷹九號關(guān)閉其中的六臺發(fā)動機，只剩三臺繼續(xù)工作。而且，這剩下的三臺發(fā)動機的推力是精確可調(diào)的，這樣才能使龐大身軀的火箭在剛剛著地時的速度基本為零，平穩(wěn)地降落在平臺上。
獵鷹火箭要實現(xiàn)平穩(wěn)著陸，成功回收，可以調(diào)節(jié)推力的火箭發(fā)動機是成功的關(guān)鍵。要實現(xiàn)發(fā)動機推力可調(diào)，就需要改變?nèi)紵摇⑷剂媳玫鹊脑O(shè)計，實時調(diào)節(jié)發(fā)動機內(nèi)部的溫度和壓力，并調(diào)節(jié)燃料的流量。這種大推力的可調(diào)發(fā)動機既要用于火箭發(fā)射階段，又要用于回收時的減速反推。相當于一個人既要獲得世界舉重冠軍，又要能干十分靈巧的繡花針，實際上是一件很難的事情。
一旦實現(xiàn)發(fā)動機推力可調(diào)，就可以實現(xiàn)火箭的定時、定點入軌，相當于給火箭安裝了油門，可以實現(xiàn)與其他航天器的快速交會對接。
新一代運載火箭究竟新在何處
隨著航天運輸?shù)男枨笤絹碓蕉鄻踊?，傳統(tǒng)的運載火箭已經(jīng)到了不得不更新?lián)Q代的階段。當前，世界各航天大國正在致力于研發(fā)新一代運載火箭，將采用大量的新技術(shù)和新材料，實現(xiàn)降低成本、提高可能性、滿足多樣化需求的目標。
那么，所謂新一代火箭，究竟新在何處？
縱觀世界各航天大國，俄羅斯正在致力于研制安加拉系列火箭（Angara），這是一個全新的火箭家族，由俄羅斯聯(lián)合火箭航天集團公司研發(fā)。通過捆綁式的多個通用火箭模塊，安加拉火箭可以根據(jù)需要組合出不同推力的火箭，火箭推力從2噸到75噸不等，可以適應(yīng)不同運載重量的航天發(fā)射需要。安加拉系列火箭研發(fā)成功后，將取代現(xiàn)在的虎嘯號火箭和質(zhì)子號火箭，成為未來俄羅斯航天運輸?shù)闹髁Α?014年12月23號，“安加拉-A5”型火箭在普列謝茨克發(fā)射，邁出了成功的一步。
美國正在研發(fā)的新一代重型運載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”(Space Launch System)，號稱是人類歷史上最強大的運載火箭系統(tǒng)，巨型發(fā)動機的長度達54米，運載能力超過130噸，在未來的載人登陸火星和載人深空探索中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。2015年3月11日，“太空發(fā)射系統(tǒng)”進行了試驗性發(fā)射，整個過程非常成功。根據(jù)規(guī)劃，“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭的首次正式發(fā)射將于2017年進行。
歐洲致力于研發(fā)新的阿麗亞娜6型火箭（Ariane 6），以取代現(xiàn)有的阿麗亞娜5型火箭，計劃于2020年進行首次發(fā)射，2021年發(fā)射次數(shù)增加到4次，2023年開始年發(fā)射次數(shù)增加到11次。
日本在H-IIA運載火箭成功率大大提高之后，正在研制H-X新一代火箭，該火箭的第一級和第二級將使用液氫液氧作為燃料的火箭發(fā)動機，并研制固體燃料助推器，通過采用前沿技術(shù)，實現(xiàn)航天運輸?shù)牡统杀竞透呖煽俊?br /> 與上述政府支持的重型運載火箭相比，SpaceX作為一家民營航天企業(yè)，成功地改變了航天高大上的特點，大大降低了進入太空的成本，使航天越來越平民化，越來越多的普通人都可以接觸到航天，這給傳統(tǒng)航天業(yè)帶來的改變一定是顛覆性的。
SpaceX的成功對航天業(yè)有何影響
雖然火箭可回收，與汽車可加油還是有相當差異的。畢竟那么龐大的一個物體經(jīng)過了高速飛行，經(jīng)歷了高溫燃燒，有些部件是無法重復(fù)利用的。但確確實實可以大幅度地降低成本，至少價值數(shù)百萬、上千萬美元的發(fā)動機不再是一次性的，可以回收再次利用。
獵鷹九號火箭的標準發(fā)射費用為5400萬美元，而中國的長征三號乙火箭在海外報價的發(fā)射費用也在6000萬美元以上，所以即便不回收，獵鷹九號也已經(jīng)成為世界上最便宜的發(fā)射工具。
這次，獵鷹九號的成功回收更是讓很多外行人感嘆，廉價航天時代即將來臨。

記得前段時間獵鷹火箭連連失敗的時候，航天界有人嘲笑馬斯克，說航天是需要積累的，不是誰都能搞的。現(xiàn)在，獵鷹九號的成功回收是對這些嘲諷最好的回應(yīng)。
SpaceX的成功不僅在于技術(shù)的先進性，更在于采用了不同于傳統(tǒng)航天業(yè)的商業(yè)化運作模式。傳統(tǒng)航天業(yè)往往采用研發(fā)模式，每一枚火箭都需要設(shè)計、生產(chǎn)、測試等等，不僅環(huán)節(jié)復(fù)雜，而且大大增加了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，浪費了大量的人力物力。而且，每一次設(shè)計都會有新的風險，導(dǎo)致可靠性不夠穩(wěn)定。
SpaceX由于采用了商業(yè)化發(fā)展的方式，所有的軟硬件均在它的控制范圍內(nèi)，不存在外包環(huán)節(jié)，所以造火箭和飛船就類似于我們造洗衣機和冰箱，全程質(zhì)量可控。他們在航天領(lǐng)域率先實踐流水線化的生產(chǎn)模式，只要一次成功，便可以次次成功，并通過大規(guī)模生產(chǎn)，大幅度降低生產(chǎn)成本。雖然也會存在一定的故障率和次品率，但不存在重新研發(fā)的風險。
SpaceX作為一家民營航天企業(yè)，十分注重成本和質(zhì)量控制。由于采用了商業(yè)化模式，很多產(chǎn)品都會盡量按照批次生產(chǎn)和采購，也都會盡可能地回收利用。之前的每一次失敗，實際上都是在進行相關(guān)的技術(shù)測試，然后改進方案，并非我們想象的是在燒錢。
而反觀傳統(tǒng)航天業(yè)，一直給人一種神秘的感覺，雖然頂著高大上的光環(huán)，但其內(nèi)部照樣會面臨很多體制機制問題，阻礙技術(shù)創(chuàng)新。由于缺少外部競爭，問題逐漸積累，改革十分艱難。這也是美國政府不遺余力扶持民營航天的原因之一，他們要給自己扶持競爭對手，讓外部壓力增大，才能觸動內(nèi)部僵化的利益格局。
獨立自主、自力更生的中國航天領(lǐng)域一直是我們的驕傲，但這種驕傲更多局限在國土之內(nèi)，航天發(fā)展在對國民經(jīng)濟推動方面還有很大的潛力可挖。中國的高鐵和核電，已經(jīng)大踏步走出國門，成為中國走向世界的名片。用中國人的智慧，掙全世界的錢。在這一點上，中國航天界還有很長的路要走。在某種程度上，航天要向高鐵和核電學習，只有大進大出，充分開放和競爭，經(jīng)歷市場風雨的洗禮，才能成長為參天大樹。

喬布斯一個人和他領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)的智能手機，使手機從單純的通信工具變成了一臺微型電腦，成為了個人生活和娛樂中心，更顛覆了傳統(tǒng)手機行業(yè)的格局。馬斯克一個人和他領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)的可回收火箭，對航天業(yè)的影響還遠遠沒有發(fā)揮出來，或許也將改變整個航天業(yè)的發(fā)展格局。這一點，需要中國航天界引起足夠的重視。