SpaceX迈向可重复使用火箭新时代

　　就在上周末，美国太空探索公司（SpaceX）又一次吸引了全球关注航空航天技术发展的人的注意：在48小时内，两枚猎鹰9号火箭分别在美国东西海岸发射了保加利亚首颗通信卫星和铱星公司（Iridium）的10颗卫星后，两枚火箭的第一级分别在海上移动平台上实现了回收。一家怎样的公司，一枚怎样的火箭SpaceX，太空探索技术公司，是美国一家航空航天业制造商和太空运输服务公司，总部位于美国加利福尼亚州霍桑。SpaceX由特斯拉汽车CEO、前PayPal企业家伊隆·马斯克于2002年创办，目标是研发降低太空运输成本，并最终使人类移居火星成为可能。

　　猎鹰9-1.1全推力型火箭全长70米，直径3.7米，起飞推力7607千牛，起飞重量549吨。猎鹰9号火箭的设计思路很明确：大量通用器件的应用缩短了研发周期和运营成本。

　　猎鹰9号是两级火箭。第一级和第二级都采用默林1D发动机。第一级采用9台默林1D发动机，第二级为1台加大喷管扩张比的默林1D真空型发动机。也就是说，整枚火箭的主发动机用的是一个型号。这种发动机通用的设计理念极大地简化了火箭对发动机系统的需求。作为后起之秀的SpaceX公司来说，采用了在阿丽亚娜系列、东风-长征系列得到过验证的发动机通用理念的做法是很明智的。

　　默林采用燃气发生器循环，使用RP-1煤油和液氧作为推进剂。该发动机是美国在进入21世纪后，从头开始研制的少有的火箭发动机之一（其实能够排的上号的就两个，第一要数洛克达因RS-68液氢液氧发动机，第二就是默林1D发动机了）。默林发动机使用了早期在阿波罗计划里的登陆舱发动机上所使用的喉栓式喷嘴。推进剂通过一个涡轮泵输出，进入燃烧室。同时，涡轮泵也提供高压液体驱动液压控制器，之后进入低压燃料入口。这样排除了对独立的液压动力系统的依赖，这意味着不会出现由于液压耗尽而失去对推力方向控制的情况。为什么要发展可重复使用技术原因可以总结为一个词：成本。不妨和小火箭一起对火箭发射成本进行核算，来发现可重复使用火箭能够节省多少发射成本吧。目前，可回收火箭使用的燃料为液氧和RP-1航空煤油。取近几年和可预见的短期价格的平均值，液氧的价格折算为人民币，约为1256元/立方米，或者按重量算的话，在1090元至1200元每吨之间。煤油的价格则在7000元/吨左右。（按极限条件，哪怕按8000元/吨来说也行）。而偏二甲肼每吨的价格在8万元左右，四氧化二氮的价格也近2万元/吨。总体来说，按运载能力和弹道反推的话，采用液氧煤油作为燃料的火箭的燃料成本约为采用常温有毒燃料火箭成本的1/30。而如果拿煤油和液氢来比的话，那更会是1/100的量级了。而实际上，咱们甚至不用过于纠结于燃料的具体单价。因为燃料成本在火箭发射总成本中的占比实在是太小了。（火箭燃料在重量上虽然占火箭的90%以上，但成本基本上不到火箭发射总成本的1%，而SpaceX曾经在核算的时候，给出了0.4%的占比。）也就是说，咱们去超市买了些吃的苹果，花了将近100元，然后在收银台买了一个4角钱的塑料袋。火箭燃料成本占发射成本的比例就相当于这个塑料袋与整袋苹果的比例。

　　按照小火箭的工程经验和历史数据，基本上火箭本身的成本占发射总报价的70%。另外的20%要给测控的弟兄们。而对于一枚二级火箭来说，如果大家接受小火箭之前的设计和计算的话，会按照4.35:1的比例来分配二级运载火箭第一级和第二级的成本。（具体为什么这样算，争取以后单独写一个成本核算系列来解释。）好，本着SpaceX每次发射都保守挣10%的原则，按照其多次发射报价的平均值反推，猎鹰9号火箭（已经把保险相关费用算进去了）：第一级的成本应该为3534.2万美元，第二级的成本应为812.4万美元。按现代航天发射和卡纳维拉尔角场地租用的费用推算，单次发射的指挥、测控的成本为：1242万美元。利润，咱们按报价的10%来保守计算，取621万美元。好了，那么问题来了，每次回收后的检测、维护保养可都是要有费用的。暂且将其设为X万美元。问：假如SpaceX公司要实现重复使用2次火箭，可将第2次发射的报价降低20%（打八折）的话，每次回收后的检测、维护保养费用应该控制在多少钱以内？小火箭在这里和大家一起计算一下：第一次发射，全新的火箭，第一级的成本为3534.2万美元，第二级的成本为812.4万美元，给测控的弟兄们1242万美元，利润为621万美元。报价就是6209.6万美元。第二次发射，成功回收了第一级，第一级的成本要和第一次发射的摊平，为3534.2万美元的一半（注意，这里不能按0计算，而是要用类似折旧的算法了），也就是1767.1万美元。第二级得新造一个，也就是还是812.4万美元，给测控的弟兄们还得有1242万美元。加上X万美元的检测维修第一级火箭的费用，第二次发射的总成本为（3821.5+X）万美元。锁定10%利润的话，报价为（3821.5+X）/0.9万美元。那么，用（3821.5+X）/0.9=80%*6209.6，就可以求出：X=649.4万美元。也就是说，按照小火箭的估算，如果猎鹰9号可回收火箭只能回收第一级，而且只重复用了1次的话，只要回收后的维护保养费用控制在649.4万美元以内，第二次发射的报价就能打八折。而我们不妨认为SpaceX公司对回收后的第一级火箭进行检测和维修的总费用为295万美元。这是基于现有技术条件下的比较乐观的估计。由此可见，火箭回收以后，第2次发射打8折是非常可行的。目前的可重复使用技术如何实现要想让火箭实现发射后的可回收软着陆，至少要攻克两个技术要点：一是可在较大范围调节推力大小的火箭发动机技术；二是再入段多约束制导控制技术。

　　猎鹰9号火箭的第一级在与第二级分离后，用3台发动机完成了程序转弯的过程。在太空中利用姿态控制火箭使箭体旋转180°，令第一级的9台主发动机朝向地面，进行“BoostbackBurn”减速。具体的弹道，详见小火箭的计算：

　　另外，在多约束制导中，对于火箭的位置和姿态的精准控制是火箭回收的关键。而猎鹰9号火箭采用的栅格翼就是用来增强火箭第一级在回收过程中的姿态控制能力的。

　　这是小火箭对猎鹰9号火箭栅格翼的流场计算：

　　以下视频是小火箭对猎鹰9号火箭栅格翼的计算结果：https://v.qq.com/x/page/z0178cdikl3.html发展可重复使用的火箭不应当也不会是美国SpaceX公司和蓝色起源公司等少数几家公司所追求的目标。作为拥有成熟发射体系和高可靠性火箭系列的航天大国，中国也在做相关的努力和尝试。我国对火箭助推器的伞降回收和伞翼滑翔回收的研究可追溯到SpaceX公司成立之前。对带有滑翔翼伞的可定点回收助推器的研制已进入样机验证阶段。而另外一种结合了降落伞和气囊的回收方案则已做过高空热气球投放试验。对于类似“猎鹰”9号火箭第一级的回收技术，也将进行相关设计和试验。而这个方案，需要对可大幅度调节推力并可多次启动的液体火箭发动机技术、带有多种约束的再入飞行器制导控制技术、回收飞行器与着陆场的适配方案、火箭下降段的燃料可靠与优化供应技术等进行研究。作者简介：邢强博士，美国航空航天学会会员，小火箭弹道优化工作室与小火箭公众号创始人。本文：由科普中国和企鹅科学联合出品，转载请注明出处。