火箭回收 美国廉价航天时代来临？(图)

Daphane

来源:光明日报

廉价航天是人类的梦想，但要实现这一梦想却十分艰难，关键是航天飞行器能否安全重复利用？尽管美国民营航天公司SpaceX于近日成功回收了名为猎鹰9号的火箭，创造了人类的历史，但火箭能否重复利用，这还是个大问号。无论这个问题的答案是什么，美国民营航天公司SpaceX已经改写了人类的航天史，或许还能取得更大的成就。


中国长征五号火箭（图片来源：新浪微博）   　　

据《光明日报》报道，美国民营航天公司SpaceX于近日成功回收了名为猎鹰9号的火箭。尽管这是人类第一次实现一级火箭可垂直回收，猎鹰9号也被冠以“创造历史”“戏剧性”等赞叹之词，人们甚至寄望这次回收能终结昂贵的航天发射，使普通人也可承受飞上太空的费用。然而，也有人认为这种火箭历经了高温摩擦等耗损，是否可重复利用还未可知，廉价航天时代仍然遥远。
   　　将成熟技术发挥到极致
   　　美国东部时间2015年12月21日20：29，在佛罗里达州，猎鹰9号火箭成功发射，飞行至预定高度，其尾部的一级火箭与前端分离，并在大约10分钟后返回并平稳降落在发射台以南9.65km处。前端则继续飞行至200km的高空，将11个通信卫星送入轨道。这是人类第一次实现一级火箭垂直回收。
   　　据《国际太空》杂志执行主编庞之浩分析，在航天领域，回收技术大致可分为4类，降落伞垂直下降式，有动力滑翔飞行式、无动力滑翔飞行式和动力反推垂直下降式。举例来说，神舟系列载人飞船降落时即采用降落伞式，俄罗斯的暴风雪号航天飞机采用有动力滑翔式，美国的航天飞机采用无动力滑翔式，而此次的猎鹰9号则采用了反推发动机式回收的方式，即利用火箭发动机产生的反向推动力，再借助姿态控制技术，推动火箭从高空返回地面。
   　　通常情况下，火箭都是一次性使用的，发射后并不进行回收，火箭会坠入大海，下次发射需再造一枚火箭。但猎鹰9号成功回收在技术上确有惊艳之处。庞之浩认为，猎鹰9号回收的难点在于，将火箭这种形态细长的飞行器以垂直于地面的姿态成功回收。这原理类似于竖立铅笔、粉笔这类物体，平衡点是很难寻找的。火箭更要克服高空、高速强气动力条件下的姿态控制，点火与反推，以及落地时的精度控制等问题。SpaceX公司曾将此过程比喻为“在狂风中使一把扫帚竖立在手掌上。”
   　　实际上，猎鹰9号此次成功回收，在单项技术上并未有突破性创新。首先，其所使用的动力反推垂直下降回收方式并非首次使用。中国在2014年发射嫦娥3号月球探测器，落月时也启动了反推发动机，使之产生与飞行方向相反的动力来降低降落速度，从而实现安全落月。其次，猎鹰9号所使用的发动机也是美国当年阿波罗登月计划留下的“遗产”——梅林发动机，这种以液氧煤油为燃料的发动机技术在美国已经非常成熟，在多种型号的火箭上均有使用。另外猎鹰9号为了实现垂直回收形态细长的火箭，使用了栅格翼技术，这种技术常用于飞行器的姿态控制，中国的神舟系列飞船运载火箭逃逸器，俄SS-21战术弹道导弹和R77空空导弹都有所使用。
   　　猎鹰9号可以说是用成熟航天工业技术制造而成，单个技术并无创新之处，但将成熟技术组合起来，将各部分性能发挥到极致，从而在无人曾涉足过的领域取得成功，这才是SpaceX公司此次回收猎鹰9号令人惊艳之处。
   　　能否降低成本仍不确定
   　　可以说回收并重复使用航天运载工具一直是人类的梦想，因为这是实现低成本大规模应用的希望所在。猎鹰9号此次成功实现回收，也有人称这将颠覆整个商业航天产业，认为如果火箭可以回收利用，之后每次发射将不需要重新建造昂贵复杂的火箭，SpaceX公司每次发射费用为6,000万美元，实现火箭回收利用技术后，发射价格有望降低至每次600万美元，而如果SpaceX公司能够定期回收并重复利用火箭，就有可能迫使整个民营航天行业展开变革。甚至有人认为猎鹰9号火箭的制造成本为1,600万美元，但燃油成本仅为20万美元，可重复利用后，去太空溜一圈，可能只要出个燃油费就成。
   　　然而，在航天领域，回收并非新鲜事，但重复使用的却寥寥无几。据庞之浩介绍，美俄的航天飞机、各国的载人飞行器、返回式卫星都是可回收航天器，其中，美国的航天飞机共发射135架次，成功回收133架次；中国的“神舟”系列载人飞船发射10艘，10艘均成功回收；中国也曾发射23颗返回式卫星，成功回收22颗。
   　　但除了美国的航天飞机以外，其他并未重复使用。美国的航天飞机可谓可回收并重复使用的杰出航天器，但重复使用的经济代价太过高昂，返回准备下一次任务的检修价格几乎能赶上再造一架的价格，其安全性还因导致14名航天员丧生的两次重大事故而遭到质疑，因而并未达到重复使用所期望的效果。可见，仅回收并不能降低成本，安全高效的重复利用，才是降低成本的关键。
   　　猎鹰9号此次虽然实现了回收，但能不能安全高效地重复利用，并真正降低成本却是一个疑问。实际上，火箭在发射、进入大气层和着陆过程中都会受到巨大的震动，此前就有猎鹰火箭在回收落地时因震动爆炸的情况发生，而穿越大气层时还会因摩擦而发生高温烧灼，如此一来，火箭内部会受到何种影响，整修需要多久的时间，需要多少经费，如今还不得而知。对此，美国专家也心存疑虑，
   　　据航天知名专家黄志澄介绍，尽管美国国家航空航天局前局长麦克·格里芬盛赞猎鹰9号，称其为“这是奇妙的飞行试验，这是重要的第一步。”但同时也表示，“回收后还要检查猎鹰9号经受飞行考验后的能力，并需经过复飞合格验收测试来验证和获得复飞的信心。”美国航天史学家、乔治·华盛顿大学航天政策研究所的创始人约翰·劳格斯登也指出：“可重复性并降低成本的关键，将是快速的周转时间和低廉的整修费用，而这将取决于回收级在发射、进入大气层和着陆过程中受到何种影响。成功着陆非常重要，但还要看猎鹰9号需要什么样的整修才能重新发射，而能不能恢复并重新发射是一个大问题。”显然，有了美国航天飞机的前车之鉴，专家们对于能否复飞，仍然态度谨慎，人们热切期盼的廉价航天时代，是否能很快到来，仍有待验证。
   　　商业资本进军航天领域的杰作
   　　暂且不论猎鹰9号回收后能否重复利用，从而将发射成本降低至前所未有的程度。即便不回收利用，猎鹰9号目前单次发射费用5000万—6000万美元的发射费用已极大地降低了低空轨道的发射费用。
   　　同时，中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红认为，猎鹰9号的创新之处还在于独到的载荷分布。周炳红表示，猎鹰9号二级火箭发动机只占到结构重量的3.8%，较其他火箭少许多，这意味着更轻的自重，从而可以运载更重的航天器。另外，同等载荷下，猎鹰9号使用的发动机数量少，火箭整体结构简单，这有利于火箭制造实现“极致的模块化”，也会降低火箭的制造成本。
   　　除了经济方面的考虑，猎鹰9号此次回收还有另外一个重要目的，那就是为美国探测火星进行技术探索和储备。这一点，麦克·格里芬一语中的，他说：“从纯技术的角度看，猎鹰9号一级火箭成功重返大气层和动力落地，已经是突破性成就，它演示了超音速逆向推进，即在超音速飞行中重新启动发动机，并使用它飞回来，这对未来大而重的载荷在火星上着陆是非常重要的。”
   　　无论如何，SpaceX公司的成功是商业资本在航天领域运用的杰出成就，这种成功与美国的航天战略调整密不可分。2010年，美国对在月球建立基地，进而探测火星的“星座计划”进行调整，提出了“21世纪太空探索战略”，其目标是进行“月球以远”的载人深空探索，计划在2025年实现小行星载人探索任务，在21世纪30年代中期实现进入火星轨道的载人飞行，而后进行载人登录火星。可以看出，美国已将航天探测的重点转移至更远的太空。黄志澄认为，这一方面是因为掌握近地轨道技术的国家日渐增多，美国优势已不明显，需要寻找新的技术制高点，另一方面，在近地轨道领域，尽管不想放弃已有的空间站等设施，但高昂的维护经费使得美国不堪重负，寻求更加经济可行的方式迫在眉睫。
   　　对此，尽管美国国家航空航天局无计可施，但民营资本却雄心勃勃。 SpaceX公司创始人艾伦·马斯克推出的“廉价航天”理念，直击航天领域成本高昂这一痛点，同时，他提出的太空旅游等运作方式，使得单纯依赖政府经费支持的航天项目，有可能实现商业化运营，从而减轻政府的财政负担。从美国政府的角度来说，既然低空轨道已不是美国航天计划的重点，何不将其转移给民营资本运营，从而既可对该领域持续占领，又可集中精力、经费开展“月球以远”的深空探测项目。这也是SpaceX公司既可获得美国政府经费支持，又可从美国国家航空航天局获得技术支持，在航天领域得以异军突起的原因。