一枚火箭如何創(chuàng)造歷史

馬迪

最近網(wǎng)上流行一句玩笑話，教訓(xùn)一個(gè)人不知深淺，常說“你咋不上天？”嚴(yán)格來講這句話很有局限性，因?yàn)椤吧咸臁睂?shí)在不是什么新鮮事了。回顧飛天的歷史，1783年的熱氣球、1852年的飛艇、1903年的飛機(jī)、1961年的載人飛船似乎每隔五、六十年就會(huì)有一個(gè)重要突破，有人因此預(yù)測，下一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)離我們已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

怎樣一飛沖天

我們都曾經(jīng)在物理課本上讀到過這樣一段話：“在地面上向遠(yuǎn)處發(fā)射炮彈，炮彈速度越高飛行距離越遠(yuǎn)，當(dāng)炮彈的速度達(dá)到7.9千米/秒時(shí)，將不再落回地面（假設(shè)無大氣阻力），而環(huán)繞地球作圓周飛行。”可見，想要離開地球，首先得有速度。實(shí)際上，由于地球表面存在稠密的大氣層，航天器必需飛到超過150千米的高度上才能擺脫空氣阻力。因此，高度150千米、速度7.9千米/秒，必須同時(shí)滿足這兩個(gè)基本條件，你就能上天了。

讓一大堆沉重的物體脫離地心引力進(jìn)入太空，絕不像說起來這么簡單。即使不關(guān)注航天，相信你也對發(fā)射火箭的高昂費(fèi)用有所耳聞。畢竟冷戰(zhàn)時(shí)期美蘇兩國的太空競賽，差點(diǎn)拖垮了蘇聯(lián)經(jīng)濟(jì)。那么現(xiàn)如今，送一顆衛(wèi)星上天到底需要多少錢呢？即使像美國“太空探索”（SpaceX）這種以發(fā)射價(jià)格低廉聞名的公司，官網(wǎng)報(bào)價(jià)（獵鷹9號火箭）也要6120萬美元，折合人民幣3.95億元。

如此高昂的成本，很大一部分消耗在了運(yùn)載火箭上，其中，箭體、發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)航制導(dǎo)控制等設(shè)備占去絕大部分。另一個(gè)殘酷的事實(shí)是：在過去的數(shù)十年間，運(yùn)載火箭一直是極為昂貴的“一次性消耗品”，無法重復(fù)使用—將航天器送入軌道后，火箭會(huì)直接墜入大氣層焚毀，或漂浮在太空中成為太空垃圾。

如果火箭可重復(fù)使用，不就能大幅度降低成本了嗎？這正是研制可重復(fù)使用運(yùn)載工具的初衷。但或許是航天發(fā)射的難度和運(yùn)載工具面對的苛刻環(huán)境超出了人們的能力，過去幾十年來人類追求可重復(fù)使用運(yùn)載工具的努力，無一例外全都以失敗告終，直到2015年。

怎樣安全落地

成本可降低的空間越大，潛在的利潤也越多，只看誰能搶占這份先機(jī)了。

在剛剛過去的歲末年初，美國太空探索技術(shù)公司兩次成功回收火箭的案例成為全球焦點(diǎn)：先是在2015年12月首次成功實(shí)現(xiàn)一級火箭的陸地回收，4個(gè)月后再次讓一級火箭準(zhǔn)確地降落在海中的無人船上。

新聞中的主角、“獵鷹9號”火箭由兩級運(yùn)載火箭組成。發(fā)射時(shí)，首先由推力強(qiáng)大的一級火箭點(diǎn)火起飛；2分多鐘后，一級火箭的燃料已消耗大半，此時(shí)一、二級火箭分離，減輕負(fù)重；隨后二級火箭啟動(dòng)，用“接力”的方法推動(dòng)飛船進(jìn)入預(yù)定軌道；一級火箭則進(jìn)入返回飛行，經(jīng)過多次點(diǎn)火制動(dòng)，將下落速度由每秒1300米減速為每秒2米，并落到指定地點(diǎn)。整個(gè)過程耗時(shí)近10分鐘。

說起來容易，做起來卻是難于上青天?；厥蘸教炱鞑⒉恍迈r，但回收火箭的難度要遠(yuǎn)大于航天飛機(jī)、飛船和返回式衛(wèi)星。這是因?yàn)樵绞羌?xì)長的飛行物，越難以控制其空中飛行的姿態(tài)，要使細(xì)長的火箭箭體精確地、筆直地落回到地面上，甚至在海上平臺(tái)垂直著陸，更是難上加難。海上回收的視頻顯示，當(dāng)火箭接近無人船時(shí)，它的速度逐漸減慢并不斷調(diào)整降落姿態(tài)，最后著陸前約3秒內(nèi)，火箭從傾斜約20度迅速調(diào)整到垂直方向，體現(xiàn)了卓越的發(fā)動(dòng)機(jī)控制和整體姿態(tài)控制能力，著陸點(diǎn)與船正中心位置僅有不到10米的極小偏差。

SpaceX曾用過一個(gè)比喻：就像發(fā)射一根鉛筆，讓它飛躍紐約帝國大廈樓頂后精準(zhǔn)落在一塊漂浮的橡皮上，而且還不能倒。要知道，這支“鉛筆”有大概70米高，重達(dá)數(shù)十噸！質(zhì)量越大的物體慣性越大，越難控制，想象一下你把20層樓發(fā)射到太空然后再精準(zhǔn)地降落到足球場大小的駁船甲板上，得有多難？

廉價(jià)太空的關(guān)鍵一步

“獵鷹9號”的陸海兩次成功回收需要跨越兩個(gè)難關(guān)：一是電子系統(tǒng)，這是火箭的大腦，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(jì)算，及時(shí)調(diào)整飛行方案；可調(diào)節(jié)推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也是成功的關(guān)鍵，這需要改變?nèi)紵?、燃料泵等的設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度和壓力，并調(diào)節(jié)燃料的流量，實(shí)現(xiàn)推力的精確可控。

尤其是最近的海上回收實(shí)驗(yàn)，更是具有極為重大的意義，用事實(shí)證明了火箭回收技術(shù)水平已經(jīng)近乎成熟。和陸地回收相比，海上浮動(dòng)平臺(tái)面積?。ㄖ挥袔装倨椒矫祝菀撞▌?dòng)（受天氣、海浪影響），定位稍不準(zhǔn)確，火箭就會(huì)掉進(jìn)海里。SpaceX此前曾進(jìn)行過4次類似嘗試均告失敗，卻矢志不渝，因?yàn)樽罾硐氲幕厥請龅剡€是海洋。

既能一飛沖天，也能回到地面，火箭發(fā)射價(jià)格有望降低到現(xiàn)有價(jià)格的1%，全球太空商業(yè)發(fā)射將因此發(fā)生革命性變化。這讓很多人看到了希望—外太空探索有廉價(jià)化、普及化的趨勢。未來，太空旅行的花銷也將大幅縮減，普通人也可能承擔(dān)，廉價(jià)太空時(shí)代的大門即將開啟。