如何正確地“黑”SpaceX（五）：回收不能複用和引擎不給力的重獵鷹-查攸吟
【文/觀察者網專欄作者 查攸吟】
美國東部時間6月12日1時51分，發射任務NROL-37正式啓動。隸屬於聯合發射聯盟的德爾塔4H重型火箭，於卡納維拉爾角空軍基地37B工位發射。發射任務進行的一帆風順，火箭攜帶的的先進獵户座同步軌道電子偵查衞星於當天早晨7時30分順利進入了預訂軌道。
目前世界上最先進，也是最可靠的重型火箭——ULA的德爾塔4型。圖為2016年6月12日，該火箭執行NROL-37任務，發射先進獵户座同步軌道電子偵察衞星時，起飛瞬間的留影
筆者並不清楚埃隆·馬斯克關注該任務之時有何表態。但幾乎可以肯定的是，其中必然摻雜着各種羨慕與嫉妒。美國軍方發射任務——這是馬斯克與他的SpaceX所追求的最終目標——暫時可望但不可及，卻是最終代表着滾滾利潤的終極目標。
然而現在於SpaceX的餐盤內，起碼還是有一點安慰的。就在2016年4月27日，美國軍方授予SpaceX一份價值8270萬美元的發射合同，要求其在2018年將第二枚GPS Block IIIA導航衞星送入軌道。
軍隊從來都是美國太空發射承包商們的最愛。與這份合同相比，馬斯克此前能吃到的所有單子廉價到彷彿是用來打發叫花子。然而，該發射合同與ULA剛剛完成的NROL-37任務相比，也同樣不值一提——儘管ULA和軍方都沒有公佈過合同細節，特別是報價問題。然而根據以往慣例，該任務的報價將不會低於3.5億美元……
鏡花水月回收夢
對於SpaceX而言，2016年4月8日的成功是具有歷史意義的。然而，向外界證明自己可以穩定地實現控制回收任務，也是非常有必要的，但是SpaceX接下來所要面對的任務卻並不輕鬆。
2016年5月6日，非常重要且具有特殊性的JCSAT-14任務啓動，SpaceX研發的火箭第一級回收系統即將迎來真正的“大考”。
同步軌道通訊衞星JCSAT-14屬於SKY Perfect JSAT公司的太空資產。該公司是日本最大的衞星營運商，也是日本目前唯一同時營運多條收費電視頻道和提供衞星通訊服務的公司。JCSAT-14衞星由美國勞拉空間系統公司製造，重約4.7噸，搭載有26個C段轉發器和18個KU 轉發器。入軌後，衞星計劃將定位於154°E的地球同步軌道上，以取代已運轉可12年之久的JCSAT-2A衞星。
對SpaceX公司獵鷹9號火箭以及其回收裝置的一次真正考驗——勞拉空間系統公司技術水準的體現，JCSAT-14衞星。由於設計需要，獵鷹9搭載該衞星執行任務時，必須教原本設計飛行更多的時間，爬升至更高的高度。這也就使得火箭第一級在回收階段面臨更為嚴峻的減速考驗
本次任務的難點在於，規模和尺寸並不算小的JCSAT-14、在設計中卻沒有考慮攜帶大量的燃料，導致該衞星缺乏足夠的軌道機動能力，必須更多地藉助火箭的運力來提升軌道。對執行發射任務的獵鷹9FT型火箭而言，也就意味着無論一子級還是上面級，都需要比通常的任務飛得更高、更快。對於上面級而言這不是什麼大問題，但就需要回收的一子級來説，這可不是個好消息。
通常來説，執行同步轉移軌道任務的獵鷹9FT一子級在與上面級分離那一刻，其速度將達到每小時6400千米、差不多是6倍音速。而這一次，一子級將繼續爬升軌道、直到每小時8300千米的速度。由於額外的工作時間要消耗更多的燃料，故留給回收減速使用的燃料，較之3月4日搞砸的SES-9任務僅是略有增加。本次任務成功的前提，是飛行的全過程必須確保精確和精準。
5月6日早晨5點21分，在SpaceX的老“地盤”，卡納維拉爾角發射基地40號工位上，搭載着JCSAT-14的獵鷹9FT順利起飛。擔憂中的危險並未出現，從衞星發射到一子級回收、整個過程無驚無險，接近6點的時候，火箭的一子級已經穩穩落在大西洋海域的回收平台上。
這也是SpaceX推進垂直回收計劃以來取得的第三次成功，事實有力地證明了，現有的垂直回收手段已基本成熟。隨之而來的，是其支持者的歡呼雀躍，以及對計劃於6月進行的、被回收的一子級執行首次複用任務的無比期待。
JCSAT-14任務中，火箭第二級與衞星分離瞬間
第一級回收部分落在海上回收平台上的那一刻
不過，這可能麼？
美國東部時間5月16日早晨7點08分，埃隆·馬斯克一則推文，給SpaceX的全體支持者澆下一瓢涼水——最近（回收）的火箭遭受了嚴重損傷，這主要源於非常高的再入速度（導致了什麼結果未表述）。它將被用於地面測試以證實其它一切都正常，計劃於6月份進行的，採用回收的一子級進行的發射任務被取消了。
5月28日上午，在完成了前一天泰星8號的發射任務後，SpaceX公佈了由火箭一子級所搭載的攝像頭拍攝的全程錄像，其清晰地顯示了火箭在動力減速過程中，仍然遭遇到熱障挑戰的事實。換句話説，馬斯克最初認為火箭一子級因為飛行高度低、沒有脱離大氣層，所以在動力減速回收的階段不會遭到嚴重的熱障，這個想法過於一廂情願了。
儘管憑藉火箭引擎進行的動力減速可以在相當程度上緩解這個問題，從而避免減重減到極致、結構堪稱脆弱的箭體在返回彈道上崩潰解體。但是，獵鷹9火箭大量使用的2195鋁鋰合金的退火温度僅有200℃，縱然完整降落，經歷過高温烘烤、事實上已經局部退火的殼體，除了“賣廢品”、又能派上啥用處呢？SpaceX公佈了一些被回收的一子級的細節照片，照片顯示箭體出現了肉眼可見的損壞，其中特別值得關注的是箭體上部的格柵翼。雖然這個構件離發動機最遠、結構上也是經過強化的，依然被燻黑了、格柵出現明顯的破損。格柵翼尚且如此，箭體的其它部分又會如何？
另一方面，火箭的着陸平台和起飛工位不一樣，沒有導焰槽、也沒有噴水降温系統，最後着陸階段、發動機的高温高速噴流在着陸平台甲板上形成反衝，也會給箭體、特別是發動機艙段造成嚴重損傷。同樣是根據SpaceX公佈的細節照片，箭體下部的發動機艙段像是經歷了一場可怕的火災，這部分結構、包括發動機本身的狀態，實在不容樂觀。
今年5月初，停放在機庫內的，當時成功回收的3枚獵鷹9FT第一級火箭，
JCSAT-14任務回收第一級轉運過程中拍攝的箭體細節照片。
我們可以從細節上看到這枚火箭已經在諸多方面遭到了嚴重的破壞，根本不可能具備複用價值。而其他兩枚的狀況，又能好多少呢？
實際上，SpaceX公司方面是對此有足夠心理準備的。
2015年10月，在於耶路撒冷召開的第66屆國際宇航大會（IAC）上，中國運載火箭技術研究院研發中心可回收火箭團隊負責人申麟曾經問過與會的SpaceX公司發射業務的副總裁一個問題:“Space X公司成功回收火箭後，要花多大的成本來實現重複使用？”
彼時，距離SpaceX公司首次實現獵鷹9號火箭第一級的垂直回收，還有近2個多月的時間。而在那時候，這位高管也並沒有正面回答申麟的問題。她説了一段模稜兩可、絕對正確、卻毫無意義的套話：“Space X公司會在可靠性、安全性、成本、技術難度、運載能力等方面進行平衡，綜合考慮。”
而就在更早些的時候，該公司負責發射任務的副總裁曾經明確答覆媒體：回收系統將能使每次發射任務的成本降低三成。請注意，這還是對着媒體説的場面話，按照常理、最樂觀的情況、恐怕還要在此基礎上打折扣。當然，若以目前的情況而言，恐怕連上述推論都屬於最樂觀的預計，實際情況可能只是回收了幾十噸廢金屬而已、可以送到航天博物館和主題公園充當展品。
除了展覽與凝聚人氣的意義，從經濟角度而言，以目前的技術而言回收第一級是毫無價值的
然而，馬斯克虧了麼？試問若以聚攏人氣贏得噱頭的角度來説，一傢俬人航天發射承包商如果用傳統方式打廣告搞營銷，得投入多少費用、才能有這樣的收穫？
重型獵鷹——瞄準軍事項目
想要贏取美軍航天器的發射合同，僅憑一枚中型運載火箭這顯然是不夠的。以前文提及的同步軌道先進電子偵查衞星“獵户座”為例，儘管偵查衞星的所有方，美國國家安全局從未披露過該設備的細節信息，單根據多方推測，大致可以認定其重量在5.2噸上下。該數據小於迄今為止獵鷹9火箭發射過的最重GTO載荷。然而，因其執行的特殊任務所需，這枚衞星安裝有一具在完全展開後直徑可達330英尺（約100米）的巨型天線。顯然，該設備即便在摺疊發射狀態下，尺寸仍舊超過大多數常規載荷，需要一個超大型整流罩來包裹。而ULA旗下的德爾塔4H重型火箭，迄今為止已被證明可靠、安全，具有強大的運載能力並可以發射超大型尺寸載荷，無疑是最理想的發射平台。也是基於上述原因，儘管SpaceX在民用太空資產的發射業務中，從ULA手中硬搶來了半壁江山，但卻無力涉足其利潤的根本——軍事航天項目。
憑藉宇宙神與德爾塔兩個系列的火箭，ULA目前牢牢地壟斷着美國的軍事航天發射市場。而該聯盟憑藉長期對軍事航天發射市場的壟斷，逐漸在該行業內形成“馬太效應”。例如本次發射的先進獵户座電子偵察衞星，就是目前其他企業無法勝任的一項任務
想要擠入軍事任務這個市場，就要求SpaceX獲得一種強大的運載發射平台——在具有強大的運載能力的同時，可以將大體積設備送入軌道。同時，該平台的可靠性必須較之現有標準更高。因為與民用設備相比，軍事航天器的價格將成倍增長。此外考慮到企業自身的資金能力，該平台仍需要可以在資本市場中凸顯出其價值的特徵。
而被寄厚望，可以使之躋身美國軍事航天發射市場的產品，便是重型獵鷹（Falcon Heavy）項目，SpaceX的重型火箭計劃。
該計劃最早可被追溯到2010。在SpaceX官方於2011年4月5日召開的新聞發佈會上，埃隆·馬斯克首次對着新聞界正式宣佈了該項目的存在：重型獵鷹火箭將是自阿波羅計劃的土星五號火箭以後，運載能力最強大的火箭，將推動政府和商業空間項目進入一個全新的時代。
所謂重型獵鷹，實質上乃是SpaceX設計火箭玩弄“堆砌”概念的又一直接體現。其大致上可以看做1枚完整的獵鷹9型和2枚獵鷹9一子級的組合體，在起飛階段，將有多達27枚梅林-1引擎同時工作。該構型使得重型獵鷹成為自蘇聯時代N1超級火箭以來，起飛級安裝發動機總數最多的一款火箭。
獵鷹9 + 獵鷹9 + 獵鷹9 = 重型獵鷹。這些事SpaceX方面美編繪製的重型獵鷹效果圖
除了火箭的構型和發動機數量，按照SpaceX宣佈的信息，重型獵鷹火箭計劃於今年底首飛，然而火箭的運力數據則宛如一部玄幻小説。
根據2014年前後官網的數據，其近地軌道運載能力達到了驚人的53噸。該頁面在今年4月間又被更新，重型獵鷹火箭的近地軌道運力進一步“提高”到54.4噸，火星軌道運力從12噸被改為13.6噸。此外，SpaceX官網還宣稱重型獵鷹具有22.2噸同步轉移軌道運載能力。
對比迄今為止的事實，上述數據堪稱魔幻。首先，我們在本系列文章的上一期已經介紹過，迄今為止獵鷹9號火箭發射的最重型載荷，是2016年3月4日-5日執行的SES-9任務。在該任務中，載荷重5271千克。該任務的結局，是衞星順利入軌，而執行回收任務的火箭第一級，在回收試驗中因燃料耗盡而墜毀在着陸平台之上。正如我們此前分析的那樣，此次任務其實在很大程度上已經向外界暗示了獵鷹9FT版運載能力的極限——如果考慮放棄華而不實的回收操作，同時拆除用於執行該任務的設備，並且不考慮再入減速所需要預留的額外燃料的話，其最大GTO運力當在5.5-5.7噸之間。也就是説，結合“重型獵鷹”火箭的構型，SpaceX官網所宣稱超過22噸的GTO運力，無論從哪個方面看都非常的匪夷所思。當然，這點公司方面也意識到了，所以為了能夠讓其宣稱的眾多數據顯得真實可信，其最初還宣稱重型獵鷹將使用推進劑交叉輸送技術（Cross-Feeding）。【附錄01：推進劑交叉輸送】
不過，寫個網頁終歸是要比實際研發要容易的多。
無怪乎，今年4-5月間SpaceX官網數據修訂後，全世界的SpaceX擁躉開始歡呼雀躍，彷彿尚未出世的重型獵鷹憑藉推進劑交叉輸送神功，已經腳踩重型德爾塔、拳打阿麗亞娜5了。
綜上所述，現階段，重型獵鷹火箭的數據堪稱“霧裏看花，水中望月”，看不懂，沒法肯定也沒法否定。所以我們姑且存疑、觀望，暫不做更多評價，換一個方向，對它的技術方案做一些定性分析。
重型獵鷹的問題，在於該火箭起飛階段多達27台的發動機。因為就在40多年前，正由於起飛階段總計30台NK33的拖累，蘇聯超級火箭N1連連失敗，最終葬送了紅色帝國的登月計劃。
起飛級安裝30台小推力火箭發動機，空前也是絕後（起碼絕後到目前為止）的怪物，蘇聯時代本計劃用於登月任務的N1超級火箭
根據概率論基本原理，並聯工作的發動機數量越多，出現發動機故障的概率就越大，飛行中的運載火箭、一旦出現了單台或者多台發動機故障，就會面臨推力不足/推力不平衡等問題，有可能導致任務失敗。基於這個考慮，自從N1火箭以悲劇告終，全世界航天界有一個不成文的共識：一子級＋助推級發動機的總數不要太多，最好不要超過10台。以長征系列火箭為例，長征2E/F、長征3B都是8台發動機，而長征5則是10台，已經達到了安全上限。事實上，自N1這個超級煙花夭折以後，世界各國研製的各型火箭大致都遵守上述原則。
也許有人會提出反對意見：錯！蘇聯解體前開發的“能源”火箭，你數數尾噴管數量，助推器＋起飛級，明明安裝了20台發動機……然而這是一個可以容忍的誤解：“能源”的四台助推器使用的是RD170發動機，因為蘇聯沒有解決液氧煤油燃料的單燃燒室超大推力穩定燃燒問題，採用了獨特的四噴管結構——四個燃燒室、四個噴管構成一台發動機。所以“能源”在起飛階段是4台RD170＋4台RD0120，總共8台發動機，依然遵守這一原則。
蘇聯時代的寶貴遺產，能源號超級火箭。由於採用了構型獨特的RD-170引擎，該火箭有着容易引人誤解的造型
那麼，多發構造的火箭，在任務過程中一旦出現發動機故障問題，能有什麼補救措施呢？這個問題，可以通過設計時預留的冗餘推力，加上補償性關機的辦法解決——當某台發動機故障不得不緊急關機時，系統可按照預設好的推力平衡方案，補償性關閉其它對應位置的發動機，以便維持推力平衡。由於火箭設計時均考慮預留冗餘推力，所以一般來説火箭仍可以正常飛行。所以從理論上來説，“重型獵鷹”在起飛階段有多達27台發動機並聯工作、起飛推重比1.49（普通的運載火箭通常為1.25-1.35），看起來是可以輕鬆應對這種麻煩的。
但是，這種樂觀的分析結果建立在故障發動機緊急關機後、不會波及相鄰發動機這個前提下，事實真的有這麼美好？
液體火箭發動機為了追求高比衝、大推力、極高的推重比，所有零部件都是工作在極限狀態下，當發動機出現故障需要緊急關機，就意味着出現了“原因不明的損傷”，特別是燃氣發生器循環/高壓補燃循環發動機，高速旋轉的渦輪泵等運動部件出現損壞的可能性很大。這個時候，最糟糕的結局，是零部件碎片擊穿了相鄰的發動機……“轟”的一聲，一個超大號煙花就這麼誕生了，大羅金仙也救不回來。當然，在這種時候，採用富燃循環的發動機，燃氣的破壞力比富氧循環弱，故障的發展也更加温和，這可能給“重型獵鷹”火箭選擇27發並聯方案增加了些許底氣吧！
2014年10月20日，軌道科技公司（Orbital Sciences Corporation，OSC）研製的天蠍座火箭在攜帶天鵝座飛船發射起飛6秒後，即因引擎故障發生大爆炸。該公司是2008年，NASA搞的民間太空物流的兩大“試點”企業之一
然而，就是這麼一種直線思維的堆砌產物，卻被SpaceX及其掌舵人馬斯克計劃用於和ULA爭奪最具利潤的軍事發射項目。是不是很滑稽？是的，這確實有幾分胡鬧的色彩，但更多的是基於無奈。無奈在哪？用埃隆·馬斯克自己的話來説：引擎問題已成為制約SpaceX火箭項目的核心矛盾。所以，公司方面在努力拓展業務，佔據市場的同時，需要全力推進其新一代液氧甲烷引擎項目。而該項目的成果——獵鷹引擎，暫時還不能投入使用**【附錄02：液氧甲烷發動機項目】**。
附錄01：推進劑交叉輸送（Cross-Feeding）
該技術簡單、直觀地説，就是在不同的燃料儲箱之間、把燃料調配着用，從而提高火箭的性能。使用這種技術的目的或者是延長火箭芯級的工作時間、提升運力，或者是提高系統的冗餘度（當個別發動機發生故障、可以把燃料調配給連接在其它燃料箱上的發動機使用）。
按照結構不同，可分為貯箱之間的交叉輸送和輸送管路之間的交叉輸送。按照功能不同，又可分為單向交叉輸送和雙向交叉輸送。
這是一個既古老、又新鮮的技術。説它古老，是因為60年代研製的“土星1號”火箭，一子級就採用了雙向交叉輸送技術，燃料在一子級九個燃料箱中調配使用。此外，它的變種技術也有應用：①“宇宙神”D火箭，外掛發動機，芯級向外掛發動機輸送燃料，飛行一段時間後、外掛發動機關機&拋棄，芯級繼續工作；②航天飛機，外掛燃料箱，軌道器達到入軌速度後，發動機關機、拋棄外掛燃料箱。説它新鮮，是因為大部分火箭和航天器都沒有選用這種技術。
採用了推進劑交叉輸送技術的土星1號運載火箭第一級
它的優勢在於要麼可以延長火箭芯級的工作時間、進而顯著提升運力，或者是提高系統的冗餘度，當個別發動機發生故障，把燃料調配給連接在其它燃料箱上的發動機使用，保證任務成功。
它的劣勢在於結構複雜，故障風險大，需要解決如下技術難題：
管路解鎖、分離——輸送大流量推進劑的管路要連得上、斷得開，液路連接、切換和斷開動作可靠、平穩，還要儘量降低結構重量。
剩餘推進劑排放——切換燃料管路並切斷連接的時候，管道內的殘餘燃料是個需要解決的麻煩，或者控制其泄漏速度、或者是排放到專門的回收容器中，如果處理不好、會危及火箭的飛行安全。
流阻匹配——當兩助推器同時給芯級同一台發動機輸送推進劑時（輸送管路之間的交叉輸送），由於推進劑輸送管路流阻的差異會導致兩助推器推進劑消耗不一致的問題，因此需要對各貯箱增壓壓力進行調節、並在兩組輸送管路上設置可以動態調節的限流閥，保證推進劑消耗同步。
液麪穩定性控制——如果是儲箱之間的交叉輸送，要考慮對儲箱液麪的擾動因素，避免液麪擾動失控、惡化箭體震動問題、增大事故概率。
正是緣於上述優點與劣勢，燃料交叉輸送是個讓火箭工程師難以取捨的技術——也難怪“重型獵鷹”火箭一開始計劃採用該技術、把LEO運力的理論值從45噸提升到53噸，後來又宣佈暫不採用，SpaceX官方給出的解釋是“客户沒有這個需求”。當然，按照慣例，這一信息又是由關係人士以“小道消息”的模式放出的。
附錄02：液氧甲烷火箭發動機
目前運載火箭所使用的無毒液體燃料組合，主要有液氫液氧/液氧煤油兩種，但是有一種燃料在最近若干年相當熱門、有望被新一代運載火箭採用，那就是液氧甲烷。
從物理性質來看，甲烷的沸點為-161℃，是一種標準的低温燃料，但沸點又高過液氫許多、和液氧接近，所以它的存儲難度低於液氫、儲箱蒸發損失小。特別是在空間環境，液氧甲烷組合的沸點接近環境温度、便於長期存儲，這一點特別適用於火箭的上面級和長期在軌飛行器。
甲烷的理論比衝高於液氧煤油（同等條件下多出十幾秒），但是低於液氫液氧。它的結焦温度高、積碳問題不嚴重，在採用分級燃燒循環的時候，可以採用富燃配比、而非富氧，在發動機獲得高比衝的同時，燃氣的破壞力較小、故障發展温和。
另外，在烴類燃料中、甲烷的粘性最小、比熱高，對熱端部件冷卻效果好，特別適於分級燃燒循環或者膨脹循環，而這兩種循環的比衝都很高。還有一點，液態甲烷經過再生冷卻後已接近氣態或已經是氣態，因此，液氧甲烷天然地具備燃燒性能好、燃燒穩定性高的優點。
由於甲烷冷卻性能良好、結焦温度高、富燃燃燒積碳少、沸點低、重複使用時無需清洗等特點，液氧甲烷發動機是可重複使用運載器較為理想的選擇。
2015年在斯塔尼斯進行的“猛禽”液氧/甲烷引擎噴注器試車照片
和液氫液氧組合相比，液氧甲烷組合的密度較大、略低於液氧煤油，密度比衝略低於液氧煤油、大大高於液氫液氧，用於起飛級有利於降低結構重量、提高幹質比，進而提高火箭性能。
最後，甲烷燃料還有一大優勢：廉價，在液氫、精煉航天煤油、經過了脱硫處理的液態甲烷（減少對發動機的腐蝕）三者中，甲烷是最便宜的，液氫最貴。
綜上所述，我們可以對液氧甲烷組合給予如下評價：它的各方面性能（理論比衝/密度比衝/海平面比衝/真空比衝）介於液氫液氧和液氧煤油之間，適於採用比衝較大的分級燃燒循環（起飛級&上面級均適宜）或者膨脹循環（推力小，只適於上面級），並同時採用較為安全可靠的富燃循環，便於發動機重用，燃料成本低。對於上面級和長期在軌飛行器，它的存儲特性比液氫液氧好得多，比衝又大大高於肼類燃料組合，優勢更加明顯。
最近若干年，出於下一代運載火箭在成本控制、部件重複使用方面的考慮，世界主要航天大國都加強了對液氧甲烷發動機型號、預研的投入。這其中力度最大的是美國，有多種以實用化為目標的甲烷引擎正在研發中，包括SpaceX的猛禽（Raptor）項目。液氧甲烷發動機和液氫液氧發動機在技術上共通性很強，而美國恰好在液氫液氧發動機領域積累豐厚，各種循環模式（燃氣發生器/分級燃燒/膨脹循環）、各種推力等級（從10噸到數百噸）、的實用型號都有，且性能一流，大力研發新一代甲烷引擎，也算是發揮自己的強項。
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