【導語】
據新華社消息,美國當地時間17日上午10時42分左右,“獵鷹9”火箭搭載“Jason-3”海洋觀測衞星從加利福尼亞州范登堡空軍基地升空。隨後,火箭第一級與第二級分離,第二級火箭成功將衞星送入軌道。主要任務如預期順利完成。
按計劃,完成使命後下落的一級火箭啓動緩衝減速火箭,朝着太平洋上停泊的海上無人浮動回收平台下降。一級火箭成功抵達了駁船着陸平台,但速度過快,“重重”地砸到了駁船上,導致火箭部分着陸支架折斷。最終回收失敗。
儘管此次海上回收失敗,但是在差不多一個月之前,2015年12月22日,SpaceX成功實現了在陸地平台對“獵鷹9”火箭第一級的回收,這意味着火箭重複利用的時代即將到來。SpaceX為什麼要做火箭回收?又會對人類產生什麼重要影響?
●誰在做火箭回收?
2002年6月成立的SpaceX是一家民營的私人航天公司。它的創始人伊隆·馬斯克是個超級天才,12歲已經在賣自己開發的商業軟件,30歲不到已經兩次創業成功賺到了第一桶金。在SpaceX成立4年之後,馬斯克正式注資一億美元,開始了他的航天之路。
然而,航天之路並不順暢,SpaceX已經至少兩次經歷了幾近破產的艱難處境。第一次是火箭發射本身。實際上,SpaceX在成立6年後才在3次失敗後成功發射了第一枚運載火箭。當時,馬斯克坦承,SpaceX當時的預算只夠發射3次,第4次的發射已是破釜沉舟。第二次便是火箭回收,同樣是經歷了三次失敗之後,才等來成功。
作為第一家成功將航天器送入軌道、擁有國際空間站軌道艙的私人企業,SpaceX如今以一己之力第一家將運載火箭成功回收。據媒體報道,SpaceX已經在爭取獲得美國政府的批准,將自己的航天員送上國際空間站。
●為什麼要回收火箭?
一直以來,當運載火箭與航天器分離後其便會自行損毀,它們或者墜入大海或者在墜落大氣層時被燃燒殆盡而無法被重複使用,這使得人類進入太空的成本異常高昂。2014年,財大氣粗的美國國家航天局(NASA)手握40億美元的專屬預算,卻只能在當年進行區區4次發射。
為了航天發射節省成本,上世紀美國和蘇聯在太空競賽的背景下提出了利用可回收的優勢發展航天飛機。然而,美國的航天飛機並沒有達到節省成本的目的,美國5架航天飛機中,挑戰者號和哥倫比亞號在執行任務時發生爆炸、解體,14 名宇航員為此喪生。而蘇聯人做的暴風雪號,則完全沒有投入實際使用就宣告退役。
在這種背景下,回收火箭重複利用被重新提出。因為從理論上來講,火箭的發射成本里面,燃料的費用非常低。以獵鷹九號為例,單次發射費用為5400萬美元,但燃料費只有20萬美元,所以如果能回收單看數據自然大大降低了成本。
那麼,SpaceX之前已經在陸地上成功回收火箭,又為何還要在海上回收?因為相比較陸上着陸,海上平台着陸所需燃料較少。火箭飛行軌跡是一條拋物線,如果希望在陸上回收,無論是垂直方向還是水平方向,火箭都需飛行更長的距離。而在海上平台着陸,可以計算火箭的飛行軌跡選擇停泊位置,縮短火箭飛行距離,節省燃料。
●SpaceX的可回收火箭,到底能省多少錢?
獵鷹九號火箭的標準發射費用為5400萬美元,而中國的長征三號乙火箭在海外報價的發射費用也在6000萬美元以上,所以即便不回收,獵鷹九號也已經成為世界上最便宜的發射工具。
對比航天飛機,獵鷹九號的價格優勢更為明顯。NASA 在研發航天飛機時,每架研發費用高達 20 億美元,它們總共發射次數為 100 多次,每次飛行費用高達 5 億美元。有數據顯示,1985 年到 1988 年 10 月,航天飛機發每次發射費用飆升至 9000 萬美元。NASA 最初估計,航天飛機發射費用為每斤 100 美元,每次發射費用不超過 600 萬美元。
不過,也有人對回收火箭到底能節省多少成本表示質疑,因為同一枚火箭如果要再一次射入太空,之前也和航天飛機一樣經歷翻修的過程。所以疑問是,回收火箭的翻修成本有多高?在多少次發射之後火箭就徹底報廢?每一次發射之後,火箭的翻修成本增加得有多高?
●火箭回收難在何處?
雖然由於系統設計難度增加、冗餘及備份、犧牲發射效率(火箭內還要留有燃料)、無法預測的發動機翻新費用等系列缺點,但是在未來技術成熟和火箭發射頻率要求提升的背景下,火箭回收技術還是給人無限的想象空間。那麼,這個技術到底難在哪兒?
中國科學院國家天文台鄭永春在文章中寫道:“難就難在十分複雜的電子系統上。電子系統是火箭的大腦,由遍佈箭體的各種傳感器獲取火箭飛行的各種參數,然後通過信息彙總、計算,及時調整飛行方案——類似大腦的思考和決策過程。接着,通過各種控制部件,執行指令,這一過程類似大腦控制我們身體上的各種運動器官。獵鷹九號火箭實現成功回收,足以證明該型火箭的電子系統十分強大。”
獵鷹九號的第一級火箭共有九台發動機,發射的時候九台發動機一起點火,用大推力使火箭擺脱地球引力升空。而在回收着陸的時候,獵鷹九號關閉其中六台發動機,只剩三台繼續工作。而且,這剩下的三台發動機的推力是精確可調的,這樣才能使龐大身軀的火箭在剛剛着地時的速度基本為零,平穩地降落在平台上。
獵鷹火箭要實現平穩着陸,成功回收,可以調節推力的火箭發動機是成功的關鍵。要實現發動機推力可調,就需要改變燃燒室、燃料泵等的設計,實時調節發動機內部的温度和壓力,並調節燃料的流量。這種大推力的可調發動機既要用於火箭發射階段,又要用於回收時的減速反推。相當於一個人既要獲得世界舉重冠軍,又要能駕馭十分靈巧的繡花針,實際上是一件很難的事情。
●火箭回收對航空業有何影響?
SpaceX的成功不僅在於技術的先進性,更在於採用了不同於傳統航天業的商業化運作模式。所有的軟硬件均在控制範圍內,不存在外包環節,所以造火箭和飛船就類似於造洗衣機和冰箱,全程質量可控。他們在航天領域率先實踐流水線化的生產模式,只要一次成功,便可以次次成功,並通過大規模生產,大幅度降低了生產成本。雖然也會存在一定的故障率和次品率,但不存在重新研發的風險。
而反觀傳統航天業,每一枚火箭都需要設計、生產、測試等等,不僅環節複雜,大大增加了生產週期和生產成本,浪費了大量的人力物力。而且,每一次設計都會有新的風險,導致其缺乏穩定的可靠性。
●對普通人來説,廉價遊太空的時代來了嗎?
伊隆·馬斯克的雄心是:把商業發射市場火箭的費用降低九成,未來把10萬人送上火星,進行星際移民。儘管這一目標何時能夠實現並不好説,但火箭回收無疑是邁出了關鍵性的第一步。
荷蘭代爾夫特理工大學航天工程專業博士毛新願在文章中説:“這個意義就好比,當初歐洲人航海,最早都是舉全國之力,送出兩三艘船,百年之內便發現了美洲、環遊了全世界。人類發現航海技術不再遙不可及,造船公司、航運公司成為了現實,人們可以買票做出一百多年前開拓者做出的創舉。五月花號上的人,坐在船上,已然沒有了當時開拓者們害怕的那種心境,他們只是買了再正常不過的船票,航海已經成為人類開拓新世界的工具,不再神秘。”
而馬斯克在火箭成功回收之後也説:“我們現在所做的一切,是在火星上建造城市的關鍵性一步。”