可回收火箭：失敗孕育著成功

向陽(yáng)

2015年1月10日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）研制的“獵鷹”9號(hào)運(yùn)載火箭搭載“龍”飛船在卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空?！褒垺憋w船的任務(wù)是向國(guó)際空間站第五次運(yùn)貨，飛船上裝載了約2.5噸貨物，其中包括供256項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)使用的物品。

伴隨此次“龍”飛船太空飛行的另一個(gè)任務(wù)是在海上回收“獵鷹”9號(hào)的一級(jí)火箭。不過火箭回收嘗試以失敗告終，火箭在海面回收船平臺(tái)硬著陸并損毀。

可回收火箭是什么？

目前，全世界的運(yùn)載火箭都是一次性航天工具，可回收火箭是與一次性火箭相對(duì)應(yīng)的火箭，即火箭可以回收后重復(fù)使用。衛(wèi)星或飛船是靠火箭攜帶升空的，目前普遍采用的一次性火箭攜帶衛(wèi)星或飛船升空時(shí)，會(huì)在飛行過程中拋下一些部件，包括助推火箭、一級(jí)火箭、逃逸塔、整流罩、二級(jí)火箭、三級(jí)火箭，這些部件可統(tǒng)稱為殘骸。

拋下的一級(jí)火箭等部件墜落地面通常都是摔壞和毀損，不可能再用了。所以，如果能回收一級(jí)火箭，甚至是將來回收二級(jí)火箭，就可以重復(fù)使用，這實(shí)際上是航天航空的一次革新。如果火箭能順利返回地球軟著陸，將對(duì)太空探索產(chǎn)生重大影響，例如，將大幅縮減太空旅行的成本和花銷。

可回收火箭一般是讓其在海面平臺(tái)上著陸，這個(gè)設(shè)想其實(shí)已經(jīng)提出幾十年，但從未有過嘗試。太空探索技術(shù)公司就是第一個(gè)進(jìn)行這種試驗(yàn)的探索者，該公司的可回收火箭早就在醞釀和試驗(yàn)了，但是，真正進(jìn)入試驗(yàn)階段也是在2014年，太空探索技術(shù)公司曾兩次試驗(yàn)讓“獵鷹”9號(hào)的一級(jí)火箭在海平面降落。其中一次試驗(yàn)是在2014年4月19日凌晨發(fā)射“獵鷹”9號(hào)運(yùn)載火箭，在火箭發(fā)射幾分鐘后，利用火箭助推將一級(jí)火箭降落在大西洋上。另一次試驗(yàn)也讓一級(jí)火箭成功在海面垂直平穩(wěn)落水。

對(duì)一級(jí)火箭回收的原理是，運(yùn)載火箭發(fā)射升空不到3分鐘內(nèi)，等一級(jí)火箭關(guān)機(jī)并與上一級(jí)火箭分離后不久，直徑12英尺（約3.66米）的一級(jí)火箭會(huì)重新點(diǎn)燃若干火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，用于減速制動(dòng)。幾分鐘后，一級(jí)火箭在距離水面不高的地方再次點(diǎn)燃一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，使火箭以較慢的速度濺落到大西洋中。

當(dāng)然，太空探索技術(shù)公司也設(shè)計(jì)了一級(jí)火箭在陸地上回收的裝置，即一級(jí)火箭配備4條由碳纖維和鋁蜂窩板制成的著陸支架。高25英尺（約7.62米）的支架向外伸出，在一級(jí)火箭下落的過程中展開先著地，以便一級(jí)火箭軟著陸。2015年1月10日可回收火箭試驗(yàn)就是在以前一些試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

雖然太空探索技術(shù)公司此次可回收火箭的正式試驗(yàn)失敗了，但這種嘗試在人類航天探索中具有里程碑式的意義。

可回收火箭的多重意義

可回收火箭不只是降低成本，而且還有其他意義，例如，能保障地面人員和財(cái)產(chǎn)的安全。現(xiàn)在的火箭發(fā)射時(shí)那些被拋下的部件中，除了三級(jí)火箭外，其他部件會(huì)因?yàn)楦叨炔蛔悖瑹o法完全燃燒而成為殘骸降落到地面或水面。

為此，火箭發(fā)射既需要精確的火箭彈道（這些彈道是根據(jù)衛(wèi)星軌道理論、發(fā)射場(chǎng)坐標(biāo)、火箭運(yùn)載能力等進(jìn)行精密設(shè)計(jì)的，以便把衛(wèi)星送上適宜的軌道），也需要設(shè)計(jì)好箭下點(diǎn)（火箭飛行時(shí)在地面的投影點(diǎn)），因?yàn)榧曼c(diǎn)經(jīng)過的區(qū)域也即殘骸墜落區(qū)，這些區(qū)域當(dāng)然要盡量避開人煙密集的地方。

盡管有精密的設(shè)計(jì)，而且殘骸墜落區(qū)也是相對(duì)固定的，但是，還是不可避免地會(huì)有火箭殘骸落入民居損壞財(cái)物，甚至還會(huì)有傷人的事件發(fā)生。例如，2007年10月25日，中國(guó)搭載嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭的一級(jí)火箭殘骸砸壞貴州福泉當(dāng)?shù)匾婚g民房。2013年12月2日凌晨，搭載嫦娥三號(hào)的長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射升空，一級(jí)火箭殘骸墜落在湖南省邵陽(yáng)市綏寧縣，砸壞該縣兩戶村民的房屋。

如果太空探索技術(shù)公司的可回收火箭試驗(yàn)?zāi)塬@得成功，可以在今后減少甚至避免火箭殘骸墜落對(duì)地面人員和財(cái)物造成的傷害和毀壞。

另一方面，可回收火箭還具有環(huán)保的意義。早在2004年6月22日，美國(guó)環(huán)保組織就發(fā)布一項(xiàng)研究報(bào)告稱，由于美國(guó)不斷發(fā)射火箭，環(huán)境受到火箭燃料、導(dǎo)彈助推器燃料等物質(zhì)的長(zhǎng)期污染，大量有毒的高氯酸鹽殘存在土壤和水體中。因?yàn)楦呗人猁}常被用作火箭發(fā)射的燃料。如果每10億單位的牛奶中高氯酸鹽的含量低于1單位，對(duì)人體無害。但是，在環(huán)保組織抽查的32份加利福尼亞州牛奶樣品中，竟有31份含有高氯酸鹽，平均每10億單位的牛奶中，高氯酸鹽含量達(dá)到1.3單位，超過了健康飲用的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)此，一方面可以通過使用新的不含高氯酸鹽的燃料來解決，另一方面，如果能回收一級(jí)甚至二級(jí)火箭，就可能使火箭殘骸不會(huì)掉在地面和水中完全解體，也就不會(huì)讓剩余燃料更多地污染環(huán)境。所以，可回收火箭也有利于環(huán)保和人的健康。

失敗是成功之母

在2015年1月10日的火箭發(fā)射前，太空探索技術(shù)公司創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克在社交網(wǎng)站推特上透露，此次試驗(yàn)的成功率只有50%，因?yàn)檫@一技術(shù)目前很難掌控。

此前太空探索技術(shù)公司的試驗(yàn)只是讓一級(jí)火箭定點(diǎn)降落在海平面上，而沒有設(shè)計(jì)可接收一級(jí)火箭的降落平臺(tái)。因此，1月10日的試驗(yàn)有兩個(gè)核心：一是“獵鷹”9號(hào)火箭的一級(jí)火箭能否首次在沒有錨定的海面回收船上精準(zhǔn)著陸;二是火箭著陸后是否完好，即沒有被砸壞，可以經(jīng)過修整后重新使用。

要讓一級(jí)火箭在分離后垂直降落在回收船上，其難度就像“在暴風(fēng)雨中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上”。因?yàn)闆]有錨定的回收船的平臺(tái)只有足球場(chǎng)大小，要求火箭的著陸精度要在10米以內(nèi)。

試驗(yàn)的結(jié)果是，一級(jí)火箭降落的精準(zhǔn)度得到驗(yàn)證，成功地降落在浮動(dòng)平臺(tái)上，但是火箭摔壞了，因?yàn)樗怯仓懀擒浿憽Ｔ蛟谟?，回收火箭的減速制動(dòng)不過關(guān)。就像高速開車進(jìn)停車場(chǎng)，看好了位置減速，可是到了停車區(qū)域沒停住，撞到墻上了。當(dāng)然，另一個(gè)原因也可能是，火箭底部專用于著陸的支架還無法使火箭軟著陸。

另外，回收船是一艘無人船，能夠根據(jù)GPS信息自行定位到3米的精度，也可以遠(yuǎn)程遙控，因此，船上沒有人員，但這也意味著研究人員無法在第一時(shí)間仔細(xì)觀察火箭降落的情況。

雖然這次試驗(yàn)失敗了，但馬斯克仍然認(rèn)為，這次是差一點(diǎn)成功，前途看起來是光明的。

未來的展望

如果可回收火箭能夠成功，則意味著能大大降低太空探索的成本，讓人類更容易進(jìn)入太空。

英國(guó)金斯頓大學(xué)火箭實(shí)驗(yàn)室主管亞當(dāng)·貝克博士表示，在當(dāng)前情況下，太空探索極其昂貴。如果太空探索技術(shù)公司能夠把火箭發(fā)射費(fèi)用成功降低50%以上，那么更多的太空探索和利用將會(huì)變得可能。更多的衛(wèi)星和飛船可以進(jìn)入太空，人們也可以利用太空資源，向地面提供更多的利益和服務(wù)，比如利用空間太陽(yáng)能技術(shù)。另外，更多宇航員也會(huì)有機(jī)會(huì)進(jìn)入太空，人們還可以飛往其他星球，如月球、火星，或許移民火星并進(jìn)入更遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系區(qū)域。

不過，對(duì)于可回收火箭也并非所有人都看好，甚至航天航空領(lǐng)域的一些專家也提出了不同意見。例如，美國(guó)洛克希德-馬丁公司發(fā)射服務(wù)部主管羅伯特·克利夫就認(rèn)為，可回收火箭是一個(gè)天方夜譚。因?yàn)?，可回收火箭涉及材料科學(xué)、控制，還涉及運(yùn)行效率。關(guān)鍵是，要回收什么東西的話，就得把更多和更大重量的物體發(fā)射入軌。這必須對(duì)物理定律進(jìn)行更多的研究才能做到。

盡管太空探索技術(shù)公司現(xiàn)在的可回收火箭試驗(yàn)失敗了，但是已經(jīng)向成功邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步，即便現(xiàn)在可回收火箭沒有做到，未來未必就是天方夜譚。

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