如何正確地“黑”SpaceX（四）：SpaceX的火箭回收之夢-查攸吟
【文/觀察者網專欄作者 查攸吟】
早在上世紀80年代末，蘇聯就曾設想過多重可複用的火箭系統。其中最令人印象深刻的，是以“能源”號超級火箭為母型研製的ГК-175可回收式重型運載火箭。其最大的特徵，在於配備了可獨立飛行滑翔降落的助推器組件。在火箭發射以後，全部助推器將在空中展開機翼，以滑翔的方式着陸返廠。
ГК-175可回收式重型運載火箭暢想。其主體部分接近一架無人航天飛機，而助推器則各自獨立具備機翼構造
上述手段科幻且炫酷，但存在着相當大的技術風險。而相對簡單的，則是自上級70年代末起就開始構想的可部分回收火箭系統。在上述構想中，火箭只有發動機部分是需可回收的。在完成任務後，火箭的發動機部分從箭體上分離、氣動減速，並在下降到一定高度後展開降落傘。這時，將會有一架安裝了天鈎回收系統的飛機從其上方略過，鈎住降落傘將其收回。整個回收過程很類似飛船返回艙【註釋：在SpaceX咄咄逼人的攻勢下，ULA考慮採用這個方案，實現下一代運載火箭的部分回收複用】。
那麼SpaceX的回收將採用哪一種方式呢？都不考慮。
類似於ГК-175滑翔回收方式，存在系統複雜且的風險。而天鈎模式雖然較為可靠，但也需要一套獨立的分離、開傘系統。且部分回收複用的方案，根本不可能兑現埃龍·馬斯克的“發射成本降低90%”的豪言壯語。
故而馬斯克和他的團隊要獨闢蹊徑：既然火箭可以站着起飛，那麼就要站着回到地上。在獵鷹9號火箭的一子級完成任務後，它將進入動力減速/回收彈道，打開一子級上部的柵格氣動控制翼面，調整姿態、尾部向前，斷續啓動一台或者多台發動機減速。或調頭返航、返回發射場，或沿濺落彈道的方向、飛向預設的回收場地（從卡納維拉爾角發射場起飛的時候，回收場地是海上的大型駁船）。在抵達着陸區後，發動機再次啓動、把一子級的降到很低的速度，打開着陸支架、對準着陸靶標，緩慢着陸。
SpaceX回收過程示意圖
這是一個炫酷無比的項目，而一切都將從一枚名為“蚱蜢”的火箭試驗器開始。
蚱蜢“火箭”矗立於測試場內
蚱蜢項目始於2011年末。其大致模擬獵鷹9型運載火箭第一級的尺寸、整合以梅林1C引擎，並安裝有一套固定式的輕合金支撐腳組建。自2012年9月21日起，至2013年10月7日，蚱蜢共進行了8次發射試驗。滯空時間從3秒逐漸增加至79秒，飛行高度從1.8米延伸至744米。該項目旨在研究不同環境和氣流下，火箭的垂直姿態控制。
在蚱蜢項目取得第一階段成功以後，項目即進入到F9R Dev1飛行測試階段。
所謂的“F9R Dev1”，即Falcon 9 Reusable Development Vehicle（獵鷹9號運載火箭可複用發展飛行器）之意。基本上模仿v1.1版獵鷹9號的第一級，採用相同的箭體和燃料與新一代梅林1D引擎，安裝了可收放式的着陸支撐架，並在箭體頂部安裝4片可控氣動格柵用於姿態調整。
較之蚱蜢，更為接近獵鷹9號第一級實體的F9R Dev1。除安裝引擎數量外，其大致和實體別無二致
從2014年4月17日到8月22日，F9R Dev1共進行了5次飛行試驗。飛行高度最大達到1000米。試驗型全面測試了可收放式支撐腿的動作機構，並對減速下降階段用來進行姿態控制的氣動格柵的控制效率進行了評估。不過，在第五次試驗時，F9R Dev1意外爆炸損毀。
SpaceX原本計劃製造F9R Dev2進一步進行測試評估。不過該項目最後被放棄。而整個測試飛行階段，也就到此為止。下面是將這個回收系統安裝上獵鷹9號火箭，計劃利用每次發射任務來進行實箭測試。
垂直回收之路
從2015年開始，SpaceX開始使用實際執行任務的火箭，來繼續推進其第一級火箭回收項目。從此之後，4支可展開的機械支撐腿以及第一級頂部可張開的氣動格柵，成為了獵鷹9號火箭的標配。
與之前蚱蜢火箭與F9R Dev1上的測試相比，這是貨真價實的實際運用環境。然而項目推進到這一步後，似乎又重走了最初獵鷹1號屢射屢炸的老路了。下面讓我們看看下面這堆試驗記錄。
2015年1月10日，回收項目首次實箭測試。當天，在完成了CRS-5第一階段飛行任務後，火箭的第一級火箭順利與上面級分離，並按照程序設定落向大西洋上一艘由駁船改裝的着陸平台。雖然準確地“命中目標”，但由於下降速度過快，導致火箭變身反艦彈道導彈，在甲板上猛烈發生爆炸。
一個月後的2月12日，又一枚v1.1版獵鷹9號，在完成為美國國家海洋和大氣管理局發射深空氣候觀測站（DSCOVER）衞星發射的任務後，於回收測試中折戟——由於當日海上風浪突變，駁船被迫撤回。這一次，火箭第一級雖然在海面上成功實現了減速，但無處可落最終也只能栽在大西洋裏。
又過了2個月，4月14日，SpaceX履約執行CRS-6發射任務。這一次，最新的一枚獵鷹9號火箭將攜帶Flock 1e皮星羣升空（26顆）。這一次，一級火箭成功和着陸駁船實現了交匯，並順利進行了減速，但由於箭體觸及甲板時橫向速度過大，未能立足於其上。在箭體傾覆後，再度上演了爆炸起火的戲碼。
CRS-6任務中，下降中的獵鷹9第一級部分。從圖中可見，其支撐架正在張開，姿勢也基本調整為垂直狀態。不過很遺憾的是，這一次依然不成功
傾覆中的第一級火箭，即將化為烈焰
2015年6月28日，SpaceX借用新一期發射“龍”式飛船的機會，再戰垂直回收挑戰。不過這一次火箭卻在第一級分離之前，於高空爆炸解體。
2015年6月28日，搭載龍式飛船從卡納維拉爾角空軍基地升空的獵鷹9號火箭，在起飛不久後發生大爆炸，船箭盡毀
連續意外和着陸失利，令公司以及其支持者方面感到沮喪。可既然定下了上述任務的方針，又豈能輕言放棄。
2015年12月22日，SpaceX公司再戰火箭回收項目。但和之前有所不同的是，鑑於本次發射的軌道通訊公司新一代低軌道通訊衞星羣組總質量較小（11枚立方星合計1892千克重），火箭剩餘運能充沛，可以預留足夠的燃料、選擇風險較小的返場回收彈道。
軌道通訊公司新一代低軌道通訊衞星羣組。照片拍攝時，全部11枚立方星均已固定於衞星分配器上了
本次發射的載荷，11枚軌道通訊公司新一代低軌道通訊衞星
空置狀態的衞星分配器
此外，為提高成功率，這一次將着陸點由海上的回收式自航平台，調整為原地返場着陸，降低任務難度以謀求突破。更為重要的是，本次用於執行回收測試的，是獵鷹9號系列中最新的“全推力”版（Falcon 9 full thrust，即FT型）。與v1.1版相比，其全箭長度更是延長到了駭人聽聞的70米，長徑比超過了19【註釋：此前的v1.1版雖號稱超過19，但實際是高於18】，質量則增加到了549.054噸，比505.846噸的v1.1版重了大約8%。此外，既然名曰“full thrust”，其引擎在梅林1D上進行了調整和優化，成為實際上的梅林1D+。故其起飛推力號稱可達7607千牛，比v1.1版多了大約20%。
在發射前，整個團隊認真檢討了之前所犯過的錯誤並考慮對策，然後認真檢查了火箭的每個環節，對尚不妥善的引擎和火箭的分離系統進行了修改，甚至專門調整了燃料的配比。
而本次發射任務也少見的一波三折，被多次推遲。最終，在當地時間2015年12月21日20時29分，於卡納爾拉爾角發射升空。
首枚獵鷹9FT火箭的第一級，在發射數分鐘後完成任務，順利地與上面級分離。隨後其按照程序開始調姿轉向，向着卡納維拉爾角上空返航。當晚20點38分，在SpaceX全體員工以及全球數十萬支持者的期盼中，火箭的第一級成功在發射場邊的着陸區實現了自主式垂直降落降落。在當天的直播視頻中，筆者聽到了如同海嘯般的持久的歡呼聲。
美國東部時間2015年12月21日晚上20點38分，首枚最大推力版獵鷹9火箭的第一級，在完成了任務後成功返航發射場，並最終憑藉自身動力實現了垂直降落
延時攝影展示的軌跡——在2015年12月21日晚上的任務中，起飛和降落時，火箭劃出了兩條軌跡，呈現出了SpaceX公司名稱中那個被大寫的“X”
實現第一級的返場垂直回收，只是SpaceX整個複用式航天器計劃的1/3任務。究其原因，是因為該方式代價過大。事實上，國內航天業界此前已就可複用回收火箭系統的可行性和經濟性有過系統的分析。由於SpaceX至今不未公佈其火箭與回收系統的明確技術參數，相關報告只能蒐集現有的獵鷹9以及其回收系統的概略數據，進行量化分析：
報告認為，以目前的獵鷹9要實現一子級垂直返場（類似2015年12月23日實現的返場回收模式），需要預留15.29%～17.11%的推進劑量。折算下來，其運載能力損失在52.6%～56.76%之間。相較而言，若其一子級不返回原場回收，而是選擇在海上的回收平台回收，則僅需要預留6.82%的推進劑量。折算其運載能力損失為28.9%。
故，相對於大返場模式的運力直接打6折，海上着陸自然具有較明顯的優勢，其不足30%的運力損失尚在能夠接受的範圍內。總之，無論如何，12月21日的成功終究是激勵了團隊，也使全世界的支持者在領教了近一年的不斷失望後，復又信心百倍。
2016年1月17日，最後一枚v1.1版獵鷹9號火箭，搭載着Jason-3海洋觀察衞星，從加利福尼亞州范登堡空軍基地發射升空。然而在火箭的回收過程中，第一級雖經較為成功的減速在着陸平台上實現軟着陸，但一根着陸支架未能實現鎖定，最終導致箭體傾覆爆炸。
就在這次失敗的一個半月以後的3月4日，SpaceX公司迎來其自創建以來的最重要一次“考試”——SES-9任務。
SES-9是一枚同步軌道通訊衞星，其屬於總部位於盧森堡的歐洲衞星公司。該衞星基於波音公司702HP平台，額定功率12.7kw、搭載多達57個高能Ku轉發器，計劃定點於108.2°E位置地球同步軌道。最為關鍵的是，該衞星重達5271千克，是迄今為止SpaceX接到的GTO發射合同中最重、也是最為貴重的一單。如果這一單順利入軌，則意味公司從此獲得了在航天發射市場內的正式會員資格。反之，馬斯克很可能將會把此前辛苦數年換來的一切統統賠進去。所以，只要發射成功，即可萬事大吉。
迄今為止SpaceX發射過的最昂貴太空資產，SES公司9號通訊衞星
而該任務的難處，在於其接近了現有獵鷹9FT的運力極限。為了最大限度壓榨F9FT的潛力、提高運力，這次發射任務首次採用了燃料深冷加註技術，把液氧的温度降低到沸點以下幾十度，因為液氧密度增大、可以多加註一些燃料。
發射計劃原本定在2月末，但連續4次或因為天候、系統自檢問題以及船舶誤入降落區等緣故而推遲。特別是2月28日，火箭由於等待誤入降落區的船隻離開而延期35分鐘發射。因等待過久，導致之後點火時箭體內液氧貯箱温度升高產生氣泡，繼而引發推力不足問題。檢測到故障的火箭控制系統緊急終止了發射程序。所幸星箭平安，未釀成大禍。
3月2日，“罰站”近一週的火箭被從發射台卸下，送入就近的車間進行應急維護。儘管存在相當大的風險，但SpaceX已是騎虎難下。因為再拖下去，發射合同將面臨延期違約的風險。而一再的意外，也可能重挫支持者乃至投資人的信心。故馬斯克拍版，3月4日必須發射。有條件就射，沒有條件也要創造條件射！
在馬斯克的職業生涯中，這類近似賭博的情況已經有過多次。最近的一次，莫過於2008年兇險的8月。當時，SpaceX和特斯拉均耗盡了現金，距離破產僅一步之遙。好在NASA成為了猴子請來的救兵，及時投下了十幾億的合同。而這一次，他又博對了！
美國東部時間2016年3月4日夜裏23點35分，搭載着SES-9的獵鷹9FT型火箭在卡納維拉爾角發射場40號工位騰空而起。本次發射異常順利，一掃此前3次推遲的頹唐之氣。火箭起飛約4分鐘後，第一級完成任務，在分離後調整姿態準備降落。而上面級則攜帶者珍貴的SES-9衞星繼續向着地球同步轉移軌道爬升。
2016年3月4日子夜23點35分，獵鷹9FT攜帶SES-9成功起飛。儘管該任務一波三折，但最終並未以悲劇收場。這着實是對馬斯克以及其團隊近十年來努力最好的獎賞
這一次的回收試驗充分汲取了之前的教訓，加之當天天氣條件非常良好，所以箭台交匯非常成功。在校準位置後，火箭開始啓動發動機截流功能緩緩向着平台落下。首次成功實現海上平台降落在此一舉！
突然，引擎似乎出現了熄火的跡象！正穩定下降的火箭第一級立刻失去動力，從數百米高度上筆直落下，重重砸在了着陸平台上。
到港後的回收平台。可見火箭從高空墜下產生的巨大撞擊力，將被專門加固過的甲板也擊穿了
從次日平台返港的照片中，我們可以看到平台上遍佈火箭第一級殘骸，火箭第一級的狀態堪稱“粉碎”。而着陸平台的一角，也被墜落的火箭第一級砸出了個大洞。此情此景，令平台上塗着的“of course i still love you”顯得異常諷刺。
但與前幾次的失敗相比，本次在平台上留下的燒灼痕跡異常之少。這也就直接説明了第一級之會在4日午夜的降落試驗中出現突發動力喪失進而墜落的問題，根本原因在於本次任務已經逼近F9FT的運力極限，預留的燃料不足，動力減速過程非常勉強（相關分析詳見下期內容）。
SpaceX拿到了世界航天發射市場的正式入場券，成為了“列強”之一。無論ULA有多強大，都無法再從市場角度對其加以遏制。然而這次勝利終究並不完美，因為海上回收亦然未能成功。好在，勝利的曙光已經浮現在了天際。
結尾部分
美國東部時間2016年4月8日16時43分，在完成了將“龍”式宇宙飛船送入國際空間站軌道的任務後，歷經千辛萬苦，克服了難以想象的挫折和困難，獵鷹9FT火箭的第一級，終於穩穩地降落到海上無人回收平台。Of course. I still love you！
矗立於無人回收平台上的火箭第一級——Of course. I still love you！
自2011年末開始，歷時達4年半之久的SpaceX公司可複用航天運載器計劃終於功德圓滿，
歡呼和祝賀的聲音，正跨越行業的藩籬，衝破國界的阻礙，從四面八方湧來。而SpaceX最大的對手，那個曾經在美國國內呼風喚雨，完全壟斷着市場的聯合發射聯盟，正在經歷着莫大的苦難——自烏克蘭危機爆發以來，俄羅斯切斷了RD-180引擎的供應。而這就意味着ULA最重要的中型運載火箭宇宙神系列，即將面臨停擺。整個公司的航天發射業務將會暫時癱瘓……
所有的好牌都已落到手中。此時此刻，埃隆·馬斯克似乎站在了他人生新的高點之上。
那麼，廉價航天的時代是否就此開始？而SpaceX在此之後，又有何雄心壯志是否能夠改寫歷史？而見證了這家企業的種種之後，中國航天又能從中借鑑到什麼？
這些，我們將在本文的後續部分，進行深入的剖析和闡述。
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