海上回收火箭，改變世界航天格局

北辰

想要完成海上豎“鉛筆”挑戰(zhàn)的其實是一家來自美國的公司，而且這支“鉛筆”還是一枚巨大的火箭。最終，Space X（美國太空探索技術(shù)）公司的火箭在完成了向國際空間站運(yùn)送補(bǔ)給物資的任務(wù)后，穩(wěn)穩(wěn)地落在了位于大西洋的遙控船上，挑戰(zhàn)成功！

回收火箭的先驅(qū)

2015年12月22日，相信許多人的朋友圈都被這樣一條新聞霸了屏：美國Space X公司發(fā)射了一枚“獵鷹9號”火箭，在運(yùn)送Orbcomm 公司的11顆通訊衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，成功回收了返回的一級火箭，創(chuàng)造了人類太空史上當(dāng)之無愧的第一。

即便如此，Space X公司的靈魂——埃隆·馬斯克仍不滿足，他還想迎接更高難度的挑戰(zhàn)——海上回收火箭。

2016年4月8日，在美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地，Space X公司的“獵鷹9號”火箭發(fā)射升空，10分鐘之后，火箭與飛船成功分離。

通常火箭第一級燃燒完畢后，都會掉落到地面，至于落到何處，那就無法準(zhǔn)確定位了。不過，“獵鷹9號”火箭卻在執(zhí)行完向國際空間站運(yùn)送“龍”貨運(yùn)飛船的任務(wù)后，從高空返回，并啟動噴火裝置，慢慢減速，最終打開支架，緩緩落到了一艘位于大西洋海面的駁船甲板上。火箭回落到船上時，不僅沒有受到海浪的影響，也沒有出現(xiàn)損壞的跡象。有人說，這次Space X公司向大西洋方向投擲了一桿“標(biāo)槍”，而這桿“標(biāo)槍”穩(wěn)穩(wěn)地扎在了目標(biāo)中心。

挑戰(zhàn)高難度

相較于陸上回收，海上回收平臺（駁船）甲板面積很小，對火箭落點精度要求非常高。此外，火箭垂直返回海面，對姿態(tài)控制要求也較高，復(fù)雜海況如天氣、海浪等也會對火箭著艦的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。相信許多人都難以理解，既然Space X公司已經(jīng)掌握了陸上回收火箭技術(shù)，為什么還要“舍近求遠(yuǎn)”，嘗試海上回收火箭呢？

事實上，各國發(fā)射的火箭幾乎都是向東飛行，其各子級在完成使命并分離后，都會因慣性繼續(xù)向前向上運(yùn)動一段距離，隨后沿拋物線自然落下，其落點位置要比分離時更遠(yuǎn)離發(fā)射場。而美國的發(fā)射基地主要位于東部海岸，因此各落回子級最終會落在距離發(fā)射點很遠(yuǎn)的大西洋某處。

此外，在陸上回收的一級火箭的飛行軌跡會截然不同。以Space X公司第一次成功回收的“獵鷹9號”為例，火箭從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地的40號發(fā)射場升空，當(dāng)一級火箭與二級火箭分離后，還進(jìn)行了一系列翻轉(zhuǎn)和機(jī)動，最后返回了佛羅里達(dá)海岸的航天中心，與發(fā)射臺相距10千米。由此可見，陸上回收的路徑過長，需要耗費(fèi)大量燃料，從而增加成本。只有當(dāng)運(yùn)載火箭所承載的載荷比其最大運(yùn)載能力小很多，一級火箭中剩余的推進(jìn)劑又足夠多時，才可以在一級火箭分離后使用較多的推進(jìn)劑改變其速度和方向，從而返回指定地點進(jìn)行陸地回收。而且，陸上回收還要考慮更多的地面安全因素，尤其是著陸失敗可能給著陸區(qū)域造成的損害。

因此，對致力于實現(xiàn)太空商用火箭重復(fù)使用的Space X公司而言，最節(jié)省推進(jìn)劑的回收方式就是將回收平臺搭建在火箭子級的自然落點附近，即大西洋的海平面上。海上回收使火箭不需要消耗寶貴的燃料飛回陸地特定著陸場，直接自然降落即可。駁船可以提前在火箭落點位置停泊等待，火箭只需少量燃料用在最重要的降落減速上就行。

航天飛機(jī)之痛

在航天發(fā)射過程中，火箭把航天器送上太空并不容易，需要聯(lián)合使用多級火箭。當(dāng)一級火箭的燃料殆盡后，二級火箭就會點火，繼續(xù)推動航天器上升，有的甚至還會用三級火箭繼續(xù)推送。其中，一級火箭的工作最重要，攜帶的燃料也最多，但它的命運(yùn)往往是被直接廢棄。這導(dǎo)致航天發(fā)射成本巨大。如何降低成本，成了航天技術(shù)發(fā)展的重大課題。

20世紀(jì)70年代，美國開始使用航天飛機(jī)，它的一級火箭包括固體火箭推進(jìn)器和兩個外掛燃料箱。當(dāng)時設(shè)計者的思維非常理想化：我們只丟棄用完的燃料箱，但繼續(xù)重復(fù)使用固體火箭助推器，這應(yīng)該可以大幅降低成本吧！

但事實證明，航天飛機(jī)的發(fā)射成本完全沒有降低，成了一個很燒錢的機(jī)器。此外，航天飛機(jī)的安全問題更加讓人頭疼。1986年，“挑戰(zhàn)者號”升空時爆炸;2003年，“哥倫比亞號”返航時解體……最終，美國宇航局的高管痛定思痛，于2010年年初做出最終決定，將日漸老化的航天飛機(jī)全部退役。至此，引領(lǐng)人類航天技術(shù)發(fā)展的美國宇航局徹底喪失了發(fā)射大型航天器的能力。而另一個航天技術(shù)的領(lǐng)頭者——俄羅斯，盡管也研發(fā)了航天飛機(jī)，但他們根本沒有使用就將其直接廢棄了。

航天飛機(jī)的高昂費(fèi)用導(dǎo)致了它的徹底失敗，這引發(fā)了許多人的思考，莫非放棄政府主導(dǎo)，轉(zhuǎn)而讓民營企業(yè)參與航天技術(shù)的發(fā)展，才是一條正確的道路？

私人航天技術(shù)的舞臺

1996年5月，一位名叫彼得·迪曼蒂斯的美國人，為了激勵新的私人載人航天技術(shù)的創(chuàng)新，設(shè)立了總額為1000萬美元的“安薩里X獎”。按照該獎項的要求，第一個用私人航天器將3名乘客送到100千米外的太空，并將其安全送回地球，且能夠在兩周內(nèi)，使用同一架飛行器重復(fù)上述載人飛行的公司或組織，將最終獲得這筆獎金。

雖然與研制航天器的成本相比，這個賽事的獎金并不豐厚，而且比賽規(guī)則也極為嚴(yán)苛，但它卻吸引了數(shù)個競賽團(tuán)隊。就連微軟公司的創(chuàng)始人之一的保羅·艾倫也投資研制了飛行器，并且最終贏得了“安薩里X獎”。

隨后，美國還出現(xiàn)了“谷歌登月X大獎賽”，賽事目的也是為了鼓勵私人公司發(fā)展航天技術(shù)。事實上，這項賽事的出現(xiàn)與美國政府的相關(guān)政策有著緊密關(guān)系。

2004年，時任美國總統(tǒng)的小布什提出了“星座計劃”，即在2018年實現(xiàn)重新載人登月，在2025年實現(xiàn)載人登陸火星。可惜的是，2008年金融危機(jī)爆發(fā)了，由于財政拮據(jù)，后來上任的總統(tǒng)奧巴馬不得不取消了“星座計劃”，轉(zhuǎn)而鼓勵私人企業(yè)進(jìn)入空間探索領(lǐng)域。在一系列鼓勵私人企業(yè)發(fā)展航天技術(shù)的政策措施出臺后，于2002年6月才成立的Space X公司，立刻迎來了巨大的發(fā)展良機(jī)。

2008年，Space X公司獲得了美國宇航局的正式合同。2012年10月，該公司的“龍”貨運(yùn)飛船將貨物送到國際空間站，開啟了私營航天的新時代。但Space X公司的高管很清楚，研發(fā)可重復(fù)利用火箭技術(shù)才是他們的頭等大事。

成功回收火箭后，Space X的員工留下了這張珍貴的照片

截至2016年5月30日，該公司已經(jīng)連續(xù)3次在海上成功回收一級火箭，總計4次成功回收火箭。但在此之前，他們也曾經(jīng)歷過多次失敗。

2013年10月7日，該公司的 “蚱蜢”火箭升空至744米后返回，準(zhǔn)確降落到發(fā)射臺上，標(biāo)志著人類首次制造出可重復(fù)利用的火箭。2014年5月，第2次實驗依然成功，但在當(dāng)年8月，第3次實驗失敗。2015年1月10日，“獵鷹9號”運(yùn)載火箭搭載的“龍”飛船發(fā)射成功，雖然“龍”飛船安全入軌，但火箭卻回收失敗。在遭遇多次挫折后，該公司重新審視了原有的技術(shù)并進(jìn)行了改良，最終分別實現(xiàn)了陸上和海上火箭回收。

近幾年，美國宇航局開始讓私人企業(yè)承擔(dān)起近距離太空運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，至于宇航局自身，則可以集中精力研發(fā)功率更大的火箭，開展遠(yuǎn)程太空探測。當(dāng)然，宇航局開發(fā)的大型火箭，也可借助私人企業(yè)研發(fā)的回收技術(shù)，降低成本。

航天局面大變革

Space X公司的一系列成功，不僅為公司贏得了足夠豐厚的賺錢砝碼，也讓美國宇航局對它信心倍增。2015年11月，美國宇航局決定，從2017年開始，委托Space X公司為國際空間站運(yùn)送宇航員。而在此之前，由于航天飛機(jī)的退役，美國一直依靠俄羅斯的飛船完成此項工作。

在航天技術(shù)出現(xiàn)后不久，人們就意識到，依靠火箭發(fā)射把載人航天器送上太空，技術(shù)落后，成本高昂，并不是長久之計。盡管為了實現(xiàn)太陽系內(nèi)的遠(yuǎn)行，科學(xué)家設(shè)想過使用空天飛機(jī)或電磁發(fā)射，但即使幾十年后的技術(shù)有了巨大飛躍，這些設(shè)想仍舊很難實現(xiàn)。因此無論如何，近幾十年航天器的發(fā)射都離不開火箭的運(yùn)送，而如何解決火箭無法二次利用的問題，從而降低發(fā)射成本，就是最關(guān)鍵的任務(wù)。

Space X公司一級火箭的成功回收，不僅是一次偉大的壯舉，更是一場航天技術(shù)的革命。此外，“獵鷹9號”火箭在搖晃的駁船甲板上的精準(zhǔn)平穩(wěn)降落，也讓人們看到了其控制技術(shù)的發(fā)達(dá)。也許未來的飛船在外星球降落時，可以自主選擇在任意地形著陸。

航天技術(shù)成本的降低，不僅會引發(fā)巨大的社會變革，也將會吸引一大批私人企業(yè)進(jìn)入航天領(lǐng)域，由此給民用太空旅行計劃帶來實質(zhì)性的幫助，甚至將宇宙空間民間商用化變?yōu)楝F(xiàn)實。也許再過不久，我們的假期旅行目的地上，就會加上“宇宙”這個選項。