廉價航天發射路在何方？_風聞

2019年7月25日，中國民營運載火箭首次成功把衞星送入軌道，在這個具有歷史意義的時刻，有必要進行一些思考。

人類實現動力飛行以來，一直在努力研製更高更快的飛行器。20世紀中期，火箭技術取得突破，人類得以發射航天器、進入太空。然而，冷戰結束近30年來，人類的太空活動範圍和活動規模均沒有明顯擴大。受限於昂貴的航天發射費用，廣闊的太空並沒有成為新的經濟增長點，反而被各國政府視為財政經費的黑洞。

目前，商業航天致力於降低航天發射成本，中國的商業航天發射報價為每千克5000至10000美元，美國SpaceX公司的“獵鷹9”火箭發射報價約為每千克4600美元，而且通過回收使用火箭一子級可進一步降低發射成本。但是每千克數千美元的發射費用，對於大規模太空資源開發來説仍然過高。未來上萬噸設備和物資需要進入太空，發射成本有必要在當前基礎上下降一個數量級。

航天發射成本高昂的主要原因在於化學火箭的固有缺陷。目前普遍使用的化學火箭利用燃燒釋放的化學能產生推力。由於火箭需同時攜帶燃料和氧化劑，推進劑的能量密度很低，發動機比衝較低（比衝定義為一定流量推進劑產生的推力，化學火箭的比衝一般不超過360s）。由於比衝較低，為了使發動機產生足夠大推力、工作足夠長時間，需攜帶大量推進劑，因而相當一部分推進劑的能量其實被用於託舉其他推進劑，導致能量浪費。而且推進劑需要巨大的貯箱來攜帶，導致化學火箭尺寸龐大，結構質量巨大，製造困難。這使得火箭能攜帶的有效載荷很小，僅佔火箭起飛質量的5%以下，而推進劑佔起飛質量的90%以上。例如，獵鷹9的運載係數（有效載荷與火箭起飛質量之比）只有2.6%，而著名的登月火箭土星五號，起飛質量3000噸，近地軌道運載能力119噸，月球軌道運載能力45噸，運載係數僅為4%左右。低比衝、低運載係數的固有缺陷使得化學火箭註定是一種效率很低的運載工具。

土星五號（左）和重型獵鷹（右）

火箭垂直回收並重復使用方案，據稱能夠大幅降低發射成本。2019年4月11日，SpaceX公司實現重型獵鷹火箭子一級的全部成功回收（兩枚助推器陸上回收，芯一級海上回收），受到廣泛關注。然而，火箭垂直回收方案有明顯的侷限性。首先，目前的垂直回收技術只能回收第一級火箭，第二級因為難以回收，只能在墜入大氣層後燒燬，成本降低有限。而且火箭越大，第二級的製造成本越高，總成本難以大幅降低。其次，垂直回收需預留降落段推進劑以及安裝柵格翼、着陸腿等附加機構，增加火箭的死重，使得火箭運載能力降低15%~50%，大型火箭運載能力降低更嚴重。例如，獵鷹9火箭的GTO運載能力，在一次性發射與垂直回收的技術狀態下，分別為8.3噸和5.5噸；對於獵鷹重型火箭，一次性發射與垂直回收時分別為26.7噸和8噸。可見火箭垂直回收導致其運載能力大幅降低，這使得單位有效載荷的發射成本降低有限。總之，難以實現完全可重複使用、運載能力降低，是火箭垂直回收方案的硬傷。

重型獵鷹火箭助推器垂直回收

二子級無法回收使得火箭發射成本降幅有限

下面解釋一下為什麼火箭的二子級無法回收。2018年4月，SpaceX的首席執行官埃隆·馬斯克表示，計劃使用巨大的氦氣球回收火箭第二級。2018年11月，SpaceX宣佈放棄回收獵鷹9第二級的研發計劃，這使得獵鷹9的發射成本根本無法像原來宣傳的那樣降低一個甚至兩個數量級（單次發射不可能低於2500萬美元）。仍然以獵鷹9火箭為例，火箭發射後達到80千米高度時，第一級分離，此後第一級繼續向上滑行，從160km高度開始下降。第二級的飛行高度達到200km以上，與衞星分離。SpaceX炒作的另一個亮點是“第二級直送地球同步軌道”，如果第二級能從地球同步軌道返回並回收使用，那可能是外星黑科技，因此下面只討論第二級從低軌道返回的情況。

SpaceX公司發佈的獵鷹9任務剖面，可見第二級沒有回收

此時回收第二級有四個難點：

1. 第二級安裝單台梅林真空型發動機，動力遠遠不如安裝9台發動機的第一級充裕，單台發動機要保持穩定下降，飛行控制極為困難；

2. 第二級已經水平飛行了一段距離，其落點比第一級的落點更為遠離發射場，回收船需長途往返跋涉，測控成本也更高；

3. 如果第二級保留部分推進劑用於垂直回收，那麼這些推進劑被抬升、加速到入軌條件，已經消耗了第一級和第二級的大量推進劑，第二級每保留1kg推進劑，整個火箭的死重估計會增加15kg以上，更不用説第二級用於垂直回收的柵格翼和着陸腿也是死重，都會擠佔有效載荷，這樣火箭的運載能力將進一步大幅下降，單位質量的發射成本必然大幅上升，失去盈利空間。

4. 如果用氦氣球回收，需要為第二級加裝氣動控制面和掛鈎，仍然需要預留降落段推進劑增加死重。火箭第二級重返大氣層後，要在運動中勾住氣球的掛鈎，回收成功率顯然低於垂直回收，發射成本同樣難以降低。

另一種降低發射成本的思路是使用衝壓發動機。衝壓發動機利用大氣中的氧氣作為氧化劑，其比衝明顯高於火箭，但是無法在大氣層外飛行。因此人們設想把衝壓發動機和火箭的優點結合起來，形成了吸氣式兩級入軌運載系統和火箭基組合循環動力（RBCC）概念。吸氣式兩級入軌系統由高超聲速載機和搭載的第二級組成，爬升至大氣層邊緣時，第二級與載機分離，載機返航，第二級將載荷送入軌道，然後滑翔返航。RBCC推進系統整合了火箭發動機和衝壓發動機，可水平或垂直起飛，飛行空域廣，但是需攜帶氧化劑，推進劑重量約佔起飛重量的70%。RBCC發動機的技術風險較低，可作為兩級入軌運載系統的第二級。

不同推進系統的比衝曲線

兩級入軌和RBCC的比衝高，可完全重複使用，然而技術難度仍然很大，數十年來研發項目層出不窮，但是無一成功。兩級入軌系統的主要難題是，載機既要滿足爬升高度要求，又要賦予第二級足夠的入軌速度，這樣推進劑攜帶量與機體結構質量難以協調，容易陷入“水多加面，面多加水”的惡性循環，運載係數很難提高。如果為了起動衝壓發動機，又在第一級載機上額外安裝渦噴發動機，那麼死重增加更多，運載係數更低。以航天科工正在研發的“騰雲工程”為例，起飛重量180噸，近地軌道運載能力只有2噸。而且這一運載系統的起飛重量與“協和”客機的最大起飛重量相當，機體制造和維護成本相當可觀，每次檢修的工作量很可能超過重複使用火箭。RBCC的問題是，如果從地面零速度起飛，需要以火箭引射模態工作一段時間，才能加速到衝壓發動機的最低起動速度，這一階段將消耗大量推進劑，嚴重製約飛行器的最終爬升高度和運載能力。

“螺旋”兩級入軌系統概念（左）與GTX飛行器概念（右）

降低發射成本的第三種思路是，在地面上賦予飛行器足夠大的初始動能，從而降低對推進劑化學能的依賴。1994年，NASA提出了磁懸浮助推發射概念MagLifter，並進行了可行性論證和縮比模型試驗。MagLifter的工作原理是：用磁懸浮滑車承載和牽引飛行器，在大功率電源系統的驅動下，滑車沿着有一定傾角的軌道加速至2km/s以上並釋放組合動力飛行器，飛行器將載荷送入軌道後滑翔返回地面。

MagLifter發射的飛行器Argus長67 m，翼展18 m，起飛質量400噸，近地軌道運載能力約為9噸。為了減小加速過程中的空氣阻力，磁懸浮軌道可以設置在真空或低氣壓管道中，加速過程即將結束時，真空管道末端快速開啓，使飛行器順利通過。一般希望加速管道末端位於空氣稀薄的高山、高原上，避免飛行器飛出管道時出現過大的空氣阻力和氣動熱。

NASA的磁懸浮發射試驗裝置（左）和MagLifter概念設想（右）

MagLifter系統發射的組合動力飛行器示意圖

約翰·霍普金斯大學提出了StarTram磁懸浮發射概念，針對不同的用途，可分為Gen-1貨物發射系統和Gen-2人員發射系統。Gen-1的發射加速度為30g，真空管道長度為100km，Gen-2的發射加速度約為2~3g，真空管道長度為1000km。據估計， Gen-1系統建設成本為200億美元，假設每天發射10次，每次發射35噸，那麼每年能發射12.8萬噸有效載荷，10年內發射成本可降至40美元/每千克。Gen-2系統建設成本預計為670億美元，每年可運輸超過30萬噸貨物和40萬名乘客，每人次太空旅行只需13000美元。磁懸浮發射系統一旦研製成功，有望將航天發射成本在現有基礎上降低兩個數量級，產生巨大的經濟效益。

StarTram磁懸浮發射系統示意圖

從技術發展趨勢來看，短期內用電磁發射系統直接將載荷送入軌道仍然十分困難，而磁懸浮助推發射與組合動力飛行器結合的方案明顯具有可行性：

1. 磁懸浮助推發射可以減少推進劑攜帶量，提升運載能力，降低組合動力飛行器的設計難度。眾所周知，寬速域衝壓發動機（低速和高速條件下都能以高性能工作）的研製難度很高，必須作出大量妥協，使得飛行器總體性能趨於平庸，甚至無法實現設計目標。如果使用磁懸浮助推發射，不必過多考慮低速（Ma<2）飛行的氣動、燃燒等問題，避開火箭引射推力效率低的難題，節省推進劑用於爬升。

2. 近年來超導磁懸浮技術快速發展，石墨烯等等新型超導材料可實現高温甚至室温超導，磁懸浮系統的建設成本很可能大幅降低。

3. 直線電機已經在軌道交通中大量應用，而且美國和中國都已裝備航母艦載機電磁彈射系統，可在100米內將30噸的戰鬥機加速至大約100m/s的起飛速度，電磁發射系統的拖動裝置可以利用貨架產品。

4. 隨着電磁炮和電磁彈射等技術的發展，大功率儲能和電源裝置逐漸成熟。

5. 磁懸浮助推發射動力學的研究也已經有了一定基礎。

綜上所述，磁懸浮助推發射系統只需在現有技術基礎上提升改進，並不存在未知的技術障礙，但是需要強大的技術整合能力，這一點正是目前中國所擅長的。

隨着相關技術的成熟，磁懸浮助推發射技術的研究逐漸升温。NASA計劃在肯尼迪航天中心建設一條兩英里長的加速軌道，發射大型高超聲速載機，並使用第二級將有效載荷送入軌道。2016年4月，美國空軍進行了磁懸浮助推發射試驗，使用640米長的軌道，在2s內加速至283m/s，未來的目標是加速到10倍聲速，即3400m/s。

中國的航天科工集團、西南交通大學、海軍工程大學、中科院電工所、北航、中科院力學所等多家單位也在進行相關研究。據報道，航天科工的羽舟、輕舟火箭將由地面大型電磁彈射系統發射，計劃2020年完成電磁發射演示系統建設及原理驗證。航天科工參與研製的真空管磁懸浮高鐵T-Flight，最大速度可達4000km/h。試想如果加大拖動功率，且軌道足夠長，就能把RBCC飛行器直接加速到衝壓發動機的起動速度，而且加速度遠小於火箭，有利於降低飛行器的結構質量。這樣同時實現高比衝、高運載係數和完全可重複使用，發射成本可能降低至不可回收火箭的1/20以下，即每千克300美元，而且水平降落之後不需要複雜的檢修和組裝，像飛機一樣迅速檢修、加註燃料、吊裝載荷之後就能再次起飛，真正實現廉價、密集發射。

NASA設想在肯尼迪航天中心建設磁懸浮發射系統

中國真空管道磁懸浮高鐵T-Flight概念

“社會一旦有技術上的需要，這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。”新一輪科技革命的到來，必然極大推動磁懸浮助推發射技術的發展。可以預測，磁懸浮發射系統一旦實現商業運營，其發射報價將遠遠低於絕大多數化學火箭，包括垂直回收使用的火箭，將重新定義商業航天。2050年前後，太空發射、太空旅遊會變得和今天的航空運輸一樣尋常，低廉的運輸成本使得空間太陽能電站、太空採礦、太空工廠乃至太空殖民成為現實，人類將通過開發太空資源真正實現可持續發展。