2021年12月，法國(guó)政府宣布，一定要研制可重復(fù)使用火箭，彌補(bǔ)“十年前的錯(cuò)誤”，并且打算在2026年投入使用。這意味著可重復(fù)使用運(yùn)載器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將進(jìn)一步白熱化?？芍貜?fù)使用運(yùn)載器的研制目的，是大幅度降低航天發(fā)射成本，提高發(fā)射頻率。對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的探索，從很早以前就開(kāi)始了。但航天飛機(jī)的失敗讓很多發(fā)射服務(wù)商心有余悸，直到獵鷹9號(hào)火箭多次回收成功，并且進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行，大家才放下心來(lái)。相信經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研發(fā)，可重復(fù)使用火箭將成為主流發(fā)射工具之一，為人類進(jìn)入太空提供更大的方便。

從VTHL到VTVL

美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)

早期的可重復(fù)使用運(yùn)載器主要有3種設(shè)計(jì)思路：垂直發(fā)射水平返回（VTHL）、水平發(fā)射水平返回（HTHL）、垂直發(fā)射垂直返回（VTVL）。而真正進(jìn)行過(guò)軌道飛行的可重復(fù)使用運(yùn)載器只有美國(guó)的航天飛機(jī)和X-37空天飛機(jī)。這兩種運(yùn)載器的共同點(diǎn)是都采用了垂直發(fā)射水平返回，這在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，將可重復(fù)使用運(yùn)載器的設(shè)計(jì)思路捆綁在了垂直發(fā)射水平返回的路線上。

美國(guó) X-37 空天飛機(jī)

但是，這兩種可重復(fù)使用的運(yùn)載器的發(fā)展卻并不盡如人意。美國(guó)航天飛機(jī)是人類歷史上第一個(gè)可以重復(fù)使用的航天運(yùn)載器。在1981~2011年的30年間，美國(guó)的5架航天飛機(jī)共執(zhí)行了135次飛行任務(wù)。它的每次發(fā)射費(fèi)用平均高達(dá)15億美元左右，而傳統(tǒng)的“火箭+飛船”的發(fā)射成本也就1億美元左右。而且就算付出了高昂的維護(hù)費(fèi)用，也還是沒(méi)能避免1986年挑戰(zhàn)者號(hào)和2003年哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的災(zāi)難性事故，最終只能以退役收?qǐng)觥?/p>

美國(guó)X-37空天飛機(jī)由波音公司研制，也被稱為太空試驗(yàn)飛行器，可以用“大力神5號(hào)”和“獵鷹9號(hào)”送入近地軌道。1999年美國(guó)宇航局啟動(dòng)項(xiàng)目研制，2004年項(xiàng)目轉(zhuǎn)到美國(guó)國(guó)防部，并成為一個(gè)機(jī)密級(jí)項(xiàng)目。X-37在2006年前代號(hào)為X-37A，2006年11月美國(guó)空軍將其型號(hào)升級(jí)為X-37B。X-37B豈今為止共進(jìn)行了6次飛行。第6次任務(wù)于2020年5月17日進(jìn)行發(fā)射，目前該飛行器仍在橢圓形近地軌道上運(yùn)行。在近地點(diǎn)時(shí)，它可以利用高空稀薄大氣通過(guò)氣動(dòng)變軌，實(shí)現(xiàn)反跟蹤，以方便執(zhí)行秘密任務(wù)。這么神秘的運(yùn)載器，顯然是不能投入大規(guī)模使用的。

正當(dāng)可重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展停滯不前時(shí)，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）橫空出世。2015年12月21日，太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9號(hào)”將11顆衛(wèi)星送入近地軌道，并成功回收火箭一級(jí)助推器。這是人類航天史上垂直發(fā)射垂直返回模式的首次助推器回收成功，從此垂直發(fā)射垂直返回運(yùn)載器的常態(tài)化使用拉開(kāi)序幕。

2018年2月6日，太空探索技術(shù)公司進(jìn)行獵鷹重型運(yùn)載火箭的第一次試驗(yàn)飛行，將埃隆·馬斯克本人的特斯拉跑車送往火星，目前該跑車（太空垃圾）已進(jìn)入與火星軌道交叉的行星軌道。獵鷹重型火箭的3個(gè)一級(jí)助推器中的2個(gè)成功回收，芯級(jí)未回收成功。

到2021年底，太空探索技術(shù)公司已經(jīng)完成了“獵鷹9號(hào)”一級(jí)助推的第100次成功回收，也是人類航天史上垂直發(fā)射垂直返回軌道級(jí)發(fā)射任務(wù)的第100次助推器回收。

在“獵鷹 9 號(hào)”基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的獵鷹重型火箭

火星移民夢(mèng)造就的VTVL

是什么使太空探索技術(shù)公司這樣一家商業(yè)公司進(jìn)入航天領(lǐng)域，并選定垂直發(fā)射垂直返回（VTVL）的可重復(fù)使用航天運(yùn)載器作為主要研制方向呢？

首先，美國(guó)航天產(chǎn)業(yè)政策的變化為太空探索技術(shù)公司進(jìn)入航天領(lǐng)域提供了很好的時(shí)機(jī)，同時(shí)由于政策的支持，起步初期的太空探索技術(shù)公司得到了一部分資金支持，為公司的發(fā)展提供了很大的幫助。

多年來(lái)，美國(guó)的航天工業(yè)一直被幾家航天巨頭壟斷，成為美國(guó)“軍工復(fù)合體”的一個(gè)重要組成部分。這帶來(lái)的一個(gè)直接后果是缺乏創(chuàng)新，價(jià)格高企，進(jìn)度拖延。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，美國(guó)開(kāi)始考慮將軍用、民用和商業(yè)航天的管理分離，并從國(guó)家層面推動(dòng)創(chuàng)建有競(jìng)爭(zhēng)力的商業(yè)航天企業(yè)，以構(gòu)建全新的航天工業(yè)基礎(chǔ)。

美國(guó)的商業(yè)航天政策，主要從以下5個(gè)方面考慮：

·增強(qiáng)航天工業(yè)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，美國(guó)國(guó)家頂層政策開(kāi)始呼吁航天商業(yè)化，以創(chuàng)建有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的航天工業(yè)基礎(chǔ)。

·打破由傳統(tǒng)軍工巨頭把持航天的壟斷體制。由于航天的高技術(shù)、高投入和高風(fēng)險(xiǎn)，航天巨頭紛紛采用強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的手段，形成了典型的寡頭壟斷市場(chǎng)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生巨額的隱形壟斷成本。

·培育低成本、有創(chuàng)新能力的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)。美國(guó)宇航局通過(guò)優(yōu)惠貸款、投資補(bǔ)貼和采購(gòu)承諾等方式，支持充滿活力和創(chuàng)新的新興航天企業(yè)的誕生和成長(zhǎng)。

·發(fā)展近地軌道經(jīng)濟(jì)和地月經(jīng)濟(jì)。將技術(shù)成熟的近地軌道發(fā)射、運(yùn)輸、空間站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)等逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)性活動(dòng)，形成基于商業(yè)的具有自我支持能力的良性運(yùn)營(yíng)模式，將美國(guó)宇航局的戰(zhàn)略使命全面轉(zhuǎn)向深空探測(cè)。

·降低美國(guó)宇航局的重資產(chǎn)配置。由航天器及相關(guān)設(shè)施的業(yè)主方，逐步向購(gòu)買商業(yè)航天企業(yè)的服務(wù)轉(zhuǎn)變。

為此，美國(guó)發(fā)布了一攬子法律制度和資助計(jì)劃。以太空探索技術(shù)公司為代表的新興商業(yè)航天公司就是在這個(gè)政策的大環(huán)境中催生出來(lái)的。

其次，埃隆·馬斯克的火星移民夢(mèng)想直接造就了垂直發(fā)射垂直返回可重復(fù)運(yùn)載器的誕生。馬斯克曾表示，“我希望每天早上醒來(lái)，想著未來(lái)會(huì)很美好——這就是太空文明的意義所在。這讓我相信未來(lái)，相信未來(lái)會(huì)比過(guò)去更美好。我想不出有什么比到那里去和星星在一起更令人興奮的事了?！?/p>

馬斯克除了有這樣的夢(mèng)想，又是一個(gè)推崇“第一性原理”的人。第一性原理指的是回歸事物本質(zhì)，將其拆分成各要素進(jìn)行解構(gòu)分析，從而找到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最優(yōu)路徑的方法。

通常我們總是傾向于在前人已經(jīng)做的和正在做的事情上去發(fā)展，這樣的結(jié)果只能是漸進(jìn)地迭代發(fā)展。馬斯克和他的團(tuán)隊(duì)思考問(wèn)題的方法是回溯事物的本質(zhì)，重新思考怎么做。按照第一性原理，馬斯克提出了以下目標(biāo)：

全復(fù)用火箭

馬斯克的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人類移民火星，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，當(dāng)時(shí)的任何一種太空運(yùn)輸系統(tǒng)，成本都是不可行的。因此，移民火星首先需要解決的問(wèn)題是大幅降低航天運(yùn)輸系統(tǒng)的成本，說(shuō)白了就是要把航天運(yùn)輸系統(tǒng)打造成像飛機(jī)一樣全復(fù)用，這樣消耗的只有燃料（當(dāng)然還有定期保養(yǎng)）。

這種設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品是該公司正在研制的超級(jí)重型火箭星艦。當(dāng)然在這個(gè)過(guò)程中，技術(shù)需要積累，資金需要籌措，所以有了我們現(xiàn)在看到的太空探索技術(shù)公司主力火箭獵鷹9號(hào)和獵鷹重型。

數(shù)量級(jí)降低入軌成本

因?yàn)闆](méi)有完整的火星運(yùn)輸成本數(shù)據(jù)做參考，這里拿近地軌道的數(shù)據(jù)做比較。太空探索技術(shù)公司全復(fù)用的超級(jí)重型運(yùn)輸系統(tǒng)星艦近地軌道運(yùn)輸目標(biāo)成本為每千克10美元，而航天飛機(jī)的成本為每千克5.45萬(wàn)美元，數(shù)千倍的差距。

VTVL的技術(shù)路線

對(duì)于返回方式的選擇，如果是水平返回，即使是有大氣層的外星，肯定也是沒(méi)有降落跑道的，因此選擇利用火箭推力垂直返回是人類登陸外星的不二之選，再難也要克服。

推進(jìn)劑的選擇

推進(jìn)劑首先考慮的是可以在外星原位制取，否則在商業(yè)上是無(wú)法接受的。氧化劑很自然地選擇氧氣，氧元素廣泛存在。燃料的選擇稍顯復(fù)雜，煤油無(wú)法在外星原位制取，氫氣的液化溫度太低。甲烷的液化溫度適中，和氧氣液化溫度接近，在火箭燃料儲(chǔ)箱設(shè)計(jì)時(shí)可以相對(duì)簡(jiǎn)化，而且都可以在火星上原位制取，在地球上也比氫氣和煤油便宜。這也就是星艦選擇采用液氧甲烷猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的原因。

第三，美國(guó)航天飛機(jī)的退役為馬斯克帶來(lái)了更多的機(jī)會(huì)。航天飛機(jī)退役后，沒(méi)有載人航天發(fā)射能力的美國(guó)人，只能購(gòu)買俄羅斯聯(lián)盟號(hào)載人飛船和進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的服務(wù)，來(lái)完成國(guó)際空間站的往來(lái)。這促使急迫需要本國(guó)載人發(fā)射能力的美國(guó)政府把寶同時(shí)押在了太空探索技術(shù)公司和波音公司身上。事實(shí)證明，當(dāng)時(shí)美國(guó)宇航局的決策是正確的，直到現(xiàn)在波音的“星際線”載人飛船還沒(méi)有交卷，而太空探索技術(shù)公司已經(jīng)擁有了獵鷹9號(hào)火箭、獵鷹重型火箭、貨運(yùn)龍飛船、載人龍飛船4個(gè)成熟型號(hào)。

“獵鷹9號(hào)”的經(jīng)濟(jì)賬

“獵鷹 9 號(hào)”海上回收

工人正在拆除“獵鷹 9 號(hào)”的一級(jí)格柵翼

到目前為止，太空探索技術(shù)公司的獵鷹9號(hào)火箭和獵鷹重型火箭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了常態(tài)化的一級(jí)火箭回收。業(yè)界普遍承認(rèn)，一級(jí)回收所帶來(lái)的，不僅僅是節(jié)省一些錢的方法，與傳統(tǒng)一次性火箭相比，一級(jí)回收帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)完全顛覆了整個(gè)行業(yè)，迫使每家發(fā)射服務(wù)商都要重新考慮自己的業(yè)務(wù)模式。比如說(shuō)，“獵鷹重型”的發(fā)射能力差不多是“獵鷹9號(hào)”的3倍，但是通過(guò)采用一級(jí)回收技術(shù)，它的成本僅僅比“獵鷹9號(hào)”多了33%。這對(duì)于傳統(tǒng)火箭制造來(lái)說(shuō)，是不可想象的。

太空探索技術(shù)公司是一家私人控股公司，不公布財(cái)務(wù)報(bào)表，因此難以進(jìn)行詳細(xì)的成本分析，只能根據(jù)它們的公開(kāi)聲明推測(cè)一下。

2016年3月，太空探索技術(shù)公司總裁格溫·肖特韋爾表示，該公司預(yù)計(jì)重復(fù)使用一級(jí)火箭可以節(jié)省30%的成本。如果這轉(zhuǎn)化為服務(wù)價(jià)格降低30%，那么“獵鷹9號(hào)”的標(biāo)價(jià)將從6120萬(wàn)美元降至4280萬(wàn)美元。

根據(jù)投資銀行杰弗里斯國(guó)際有限公司的測(cè)算，假設(shè)太空探索技術(shù)公司在發(fā)射時(shí)的毛利率為40%，那么按照6120萬(wàn)美元報(bào)價(jià)，每次發(fā)射的直接成本是3670萬(wàn)美元，包括火箭燃料和發(fā)射場(chǎng)運(yùn)行費(fèi)用。

埃隆·馬斯克曾經(jīng)公開(kāi)表示，一級(jí)火箭占火箭總成本的75%。如果40%的毛利率估計(jì)是正確的，那將意味著一級(jí)火箭的總成本為2750萬(wàn)美元。馬斯克曾表示，第一級(jí)火箭可以重復(fù)使用數(shù)十次。在杰弗里斯國(guó)際有限公司的總結(jié)中說(shuō)，如果太空探索技術(shù)公司將節(jié)省下來(lái)成本的50%讓利給客戶，那么“獵鷹9號(hào)”的報(bào)價(jià)可以降低21%，達(dá)到4830萬(wàn)美元。如果100%提供給客戶，發(fā)射價(jià)格將下降40%，達(dá)到3700萬(wàn)美元。

而馬斯克還曾經(jīng)表示，“獵鷹9號(hào)”使用的燃料價(jià)格在20萬(wàn)美元到30萬(wàn)美元之間。這并不是一個(gè)離譜的數(shù)字，“獵鷹9號(hào)”采用液氧煤油推進(jìn)劑，航空煤油是一種大批量生產(chǎn)的普通燃料。而液氧可以從空氣中制備，僅僅需要消耗電力。目前航空煤油的價(jià)格大概是1000美元左右一噸。液氧的價(jià)格只有煤油的十分之一左右?！矮C鷹9號(hào)”第一級(jí)燃料總攜帶量255噸，按照氧氣和煤油2.6:1左右的配比，馬斯克的說(shuō)法是可信的。

馬斯克親自透露了關(guān)于可重復(fù)使用的財(cái)務(wù)細(xì)節(jié)。他說(shuō)，“由于重復(fù)使用一級(jí)火箭和整流罩，有效載荷能力減少了不到40%，回收和翻新的成本不超過(guò)新火箭價(jià)格的10%，所以一枚一級(jí)火箭飛行2次可以實(shí)現(xiàn)不賠不賺，飛行3次就是穩(wěn)賺了?！?/p>

雖然一級(jí)回收過(guò)程需要預(yù)留10%的燃料，并且損失運(yùn)載能力，但是這部分燃料的價(jià)格只有幾十萬(wàn)美元，所以損失最大的應(yīng)該是運(yùn)載能力。按照損失40%運(yùn)力后每次發(fā)射收費(fèi)6000萬(wàn)美元計(jì)算，損失掉的發(fā)射服務(wù)費(fèi)達(dá)到4000萬(wàn)美元，不是小數(shù)。

下一個(gè)問(wèn)題是，一級(jí)回收之后的檢修和翻新要花多少錢。歐洲阿里安公司曾經(jīng)公開(kāi)評(píng)論說(shuō)，翻新成本是決定性的，但是因?yàn)樘仗剿骷夹g(shù)公司不肯公布細(xì)節(jié)，因此無(wú)法做出判斷。將重復(fù)使用的火箭轉(zhuǎn)化為切實(shí)的資本支出節(jié)約，是存在持續(xù)挑戰(zhàn)的，其中包括火箭失敗、保險(xiǎn)、改造周期等，但前進(jìn)方向是明確的。

太空探索技術(shù)公司火箭集成總監(jiān)克里斯托弗·庫(kù)盧里斯給出了更加樂(lè)觀的數(shù)字，他說(shuō)重復(fù)使用第一級(jí)可以把“獵鷹9號(hào)”發(fā)射成本降低到2800萬(wàn)美元。

2020年5月，馬斯克甚至給出了更低的數(shù)字。他在接受《航空周刊》采訪時(shí)說(shuō)，“獵鷹9號(hào)”的邊際成本為1500萬(wàn)美元。這里的邊際成本，可以理解為刨除各種研發(fā)費(fèi)用，僅僅考慮一枚火箭的制造費(fèi)用。在這次采訪中，馬斯克還明確表示，翻新一級(jí)火箭的成本為100萬(wàn)美元。這與“不到10%”的說(shuō)法還算吻合。

那么，“獵鷹9號(hào)”第一級(jí)可以重復(fù)使用多少次呢？馬斯克說(shuō)，這個(gè)數(shù)字可能沒(méi)有限制，他甚至認(rèn)為可以超過(guò)100次，只不過(guò)清理發(fā)動(dòng)機(jī)有點(diǎn)麻煩。

“星艦”飛行示意圖

當(dāng)然，如果把研發(fā)費(fèi)用平攤到每次發(fā)射上，重復(fù)使用火箭要想賺錢，就需要更長(zhǎng)時(shí)間了。馬斯克在2017年3月指出，該公司在可重復(fù)使用的發(fā)射技術(shù)上花費(fèi)了超過(guò)10億美元，按照杰弗里斯國(guó)際有限公司推測(cè)的利潤(rùn)率，“獵鷹9號(hào)”要重復(fù)發(fā)射40次才能把這筆錢賺回來(lái)。不過(guò)，按照“獵鷹9號(hào)”每年發(fā)射30多次的頻率，似乎也可以接受。

隨著太空探索技術(shù)公司的成功，各國(guó)政府和商業(yè)航天公司不約而同地把目光瞄準(zhǔn)可重復(fù)使用運(yùn)載器。這種大干快上的局面，意味著可重復(fù)使用運(yùn)載器的春天就要來(lái)臨了。但是，任何新技術(shù)都不會(huì)那么順利。其實(shí)，上一種實(shí)現(xiàn)了頻繁重復(fù)使用的火箭，就是航天飛機(jī)的固體助推器。曾經(jīng)在美國(guó)宇航局擔(dān)任探索系統(tǒng)開(kāi)發(fā)副局長(zhǎng)的丹·達(dá)姆巴徹表示，他們本來(lái)打算讓這兩根鉛筆樣的火箭重復(fù)使用55次，但花了很多錢、很多時(shí)間后，并沒(méi)有達(dá)到這個(gè)指標(biāo)。美國(guó)宇航局似乎沒(méi)有自己想象的那么聰明。

當(dāng)然，也有很多企業(yè)從自己的實(shí)際出發(fā)，認(rèn)為盲目追求可重復(fù)使用是不現(xiàn)實(shí)的。美國(guó)螢火蟲(chóng)宇航公司負(fù)責(zé)人就表示，對(duì)初創(chuàng)公司來(lái)說(shuō)，能制造一次性使用火箭就不錯(cuò)了，重復(fù)使用的夢(mèng)想還太遙遠(yuǎn)了。事實(shí)證明，他說(shuō)的一點(diǎn)都沒(méi)錯(cuò)。2021年9月，這家公司的阿爾法火箭首次發(fā)射就遭遇失敗，在空中炸成一團(tuán)火球，給2021年貢獻(xiàn)了最慘烈事故照片。也有人指出，馬斯克并不是一開(kāi)始就做到了重復(fù)使用。他最早的火箭獵鷹1號(hào)就是一次性使用的。馬斯克最信任的副手、現(xiàn)任太空探索技術(shù)公司總裁肖特維爾也承認(rèn)，沒(méi)有“獵鷹1號(hào)”提供的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，就不會(huì)有“獵鷹9號(hào)”的成功。所以，在研制可重復(fù)使用火箭的道路上，還會(huì)遇到一些坎坷，付出一些代價(jià)。