重复使用是火箭发展必然趋势

说起“重复使用”，大家往往会有一种既熟悉又陌生的感觉。说到“熟悉”，人们生活中用到的交通工具，汽车、轮船、飞机，哪一样不是重复使用的，哪有用一次就扔的？说到“陌生”，以前对于运载火箭还真是很少听说重复使用，都是一次性，发射完都不知道掉哪里了。运载火箭为什么是这样的，那还得从运载火箭的滥觞，大名鼎鼎的火箭公式说起。

猎鹰9号火箭实现第一级软着陆

上个世纪初，随着航空技术的进步，人们逐渐发现大气层是有边界的，甚至估算出了大气层的厚度。传统的航空器，无论是依靠空气浮力的气球，还是依靠气动升力的飞机，都不可能越出大气层。

那有没有让人类越出大气层的工具呢？由于地球是宇宙中的一个球体，通过对于基本力学知识的推导，可以知道如果一个物体的速度足够快，那么它环绕地球运动产生的离心力，就可以和地球对它产生的万有引力相平衡，那么就它就能够脱离大气层进入环绕地球的轨道。这就是我们所熟知的7.8千米/秒第一宇宙速度。

这其中的关键就在于，如何使物体获得这样大的速度。这时伟大的火箭之父齐奥尔科夫斯基就出场了。他推导出了火箭公式，提出利用运载火箭将物体送到环绕地球的轨道之上的可行路径。

火箭公式的核心就在于将燃料变为物体的速度增量。但是由于化学推进剂本身的特性所限，火箭起飞质量的绝大部分必须是推进剂质量，目前火箭的燃料通常要占到自重的80%~90%。我们所看到的火箭本体，甚至可以说就是一个推进剂贮箱。在技术水平较为低下的时候，即便是一次性运载火箭，也不能够用如此轻的飞行器质量，装载如此多的推进剂起飞，毕竟火箭飞行所经历的力学环境要比普通飞机恶劣得多。

齐奥尔科夫斯基的伟大之处在于，他仅仅通过数学推导，就提出了多级火箭的概念，为人们用较为低下的技术水平实现航天飞行奠定了基础。因为使用多级火箭，可以逐次将一部分用光了推进剂的火箭子级抛弃，进而保证最终的有效载荷能够获得足够的速度增量。

齐奥尔科夫基当年画的火箭原理设想图

液体火箭一般只需要两级就可以进入近地轨道，而固体火箭一般需要三级、甚至四级，这是因为固体火箭推进剂的比冲较低的缘故。而为了实现地球同步转移轨道发射，目前国际上主流火箭一般采用三级或两级半构型。比如美国的“德尔它”“宇宙神”，俄罗斯的“安加拉”“质子”，欧空局的“阿里安”，中国的长征三号甲系列运载火箭等。

而重复使用的要求，往往意味着需要付出更多的结构质量，比如需要加装着陆回收装置、结构增厚加强以应对重复多次的飞行载荷等。在这种形势下，早期的运载火箭必然是多级的一次性运载火箭。

但是随着技术的进步，火箭的结构质量可以变得越来越轻，同时强度越来越高，那么运载火箭的演进趋势也就确定了，那就是由多级向单级，由一次性使用向重复使用，由部分重复使用向完全重复使用发展。

目前，“猎鹰9号”可以说是最为先进的运载火箭。这里有两个方面的原因：一方面是因为它是市面上罕见的可适应主流地球同步转移轨道(GTO)载荷的两级串联、且不用氢氧动力的火箭。这说明“猎鹰9”在结构轻质化、发动机综合性能方面已经达到了很高的水平。另一方面就是因为“猎鹰9”已经实现了部分重复使用，且重复使用率达到了80%。

垂直回收提高了重复使用能力

自从一次性运载火箭技术成熟之后，人类就开始向着可重复使用这个目标迈进了。为了这个目标，人类进行了颇多的尝试，提出了各种各样的技术路径。

土星1号火箭是美国对重复使用运载器概念的最早尝试。在20世纪60年代，美国宇航局尝试使用滑翔伞翼对土星1号火箭一级进行回收，力图实现自主着陆，因当时着陆技术不太成熟，致使该方案只停留在缩比试验阶段。上世纪50年代，苏联也曾尝试通过伞降回收小型气象火箭，并取得成功。在经过简单修复后，小火箭实现了二次飞行。

1977年，美国的航天飞机通过垂直起飞、水平降落的方式首次实现载人试飞，而航天飞机所使用的两枚固体火箭助推器则通过降落伞减速后溅落在海面上，进而实现回收重复使用。进入21世纪，太空探索技术公司的猎鹰系列火箭和“蓝色起源”的新谢泼德火箭均通过垂直发射、垂直回收的方式实现了火箭的回收重复使用。

阿特兰蒂斯号航天飞机

除此以外，人们还对于完全可重复使用的单级入轨飞行器进行了多次探索。1986年美国提出研制以吸气式发动机为动力的国家空天飞机（NASP），但由于该项目研制费用过高，技术难度太大，被迫于1994年停止。1996年，美国再次决定开发火箭动力单级入轨飞行器“冒险星”的缩比试验飞行器X-33，同样因为技术难度大，计划超期，于2001年宣布放弃。

可重复使用运载系统按照起降方式的差异性，可分为3种方式。

第一种方式，水平起飞/水平回收。

水平起飞/水平回收的运载系统的动力形式一般为吸气式组合动力。吸气式组合动力可以在不同的飞行高度和马赫数条件下启用最优的工作模式，达到最佳的加速和巡航要求，能够充分利用大气中的氧减轻自身的起飞重量，成为未来最有前途的动力系统。在20世纪90年代各国吸气式动力的单级入轨空天飞机计划因技术难度较大而夭折后，各国都采取了比较务实的做法，先发展较为成熟的火箭动力，后发展技术难度更大的吸气式组合动力。

第二种方式，垂直起飞/水平回收。对于火箭动力的两级入轨可重复使用火箭而言，采用垂直发射方式，起飞和飞行时主要承受轴向载荷，结构设计简单，同时垂直起飞能够快速穿越大气层，气动阻力损失小。翼身组合体式气动外形可采用水平降落的模式，利用大气阻力进行着陆前减速，但是飞行中气动阻力和气动加热比垂直降落大，需要在机翼和机身部位采取防热措施，另外水平着陆还需要较长的跑道进行滑跑减速，气动、控制、热防护等方面技术难度较大，着陆跑道等基础设施建设周期较长。水平返回的带翼重复使用运载器具备优异的高超声速飞行能力和快速响应能力。

垂直起飞/水平回收的典型代表是美国的航天飞机。它是往返于地面和近地轨道之间运送人和有效载荷的飞行器，兼具载人航天器和运载器功能，并按飞机方式着陆的航天系统。由于航天飞机过于复杂，载人兼运货，操作效率低，每年飞行次数不到10次，相反成为了运行费用昂贵的飞行器，实践证明它在经济性、安全性和可靠性方面都未达到预期目标。2011年7月，美国航天飞机完成第135次任务后正式退役。统计显示，航天飞机计划共计花费1960亿美元，其中每架航天飞机的造价约为120亿美元，单次发射的费用约为4.5亿美元（超预算近10倍）。

第三种方式，垂直起飞/垂直回收。

火箭采用旋成体气动外形，结构设计简单，一般采用垂直降落方式，用于着陆的结构附加重量较小，相比于水平降落方式，气动、控制、热防护技术难度较小，但是要求发动机具备大范围推力调节能力，同时需要预留推进剂减速，损失部分运载能力。

垂直起飞/垂直回收的典型代表是太空探索技术公司的猎鹰系列火箭和蓝色起源公司的新谢泼德火箭。两者均已多次实现火箭的回收复用，充分验证了技术的成熟度。同时，火箭的使用成本也大幅下降。按照埃隆·马斯克的说法，第一级火箭回收复用可以在现有成本的基础上再降低70%成本。

蓝色起源公司新谢泼

德亚轨道飞行器

综上所述，水平起飞/水平降落技术难度较大，短期内难以具备工程应用能力；垂直起飞/水平降落虽然具备工程实践的条件，但是使用维护成本高，运营主体通常难以承受；垂直起飞/垂直降落不用改变火箭构型，技术难度相对较小，真正实现了火箭发射成本的降低，成为目前最受青睐的重复使用技术路线。

可重复使用飞行器的寿命如何度量

在讨论可重复使用运载火箭的重复使用次数极限，也就是寿命极限之前，我们首先需要了解可重复使用运载火箭寿命的影响因素。根据影响因素的不同，可重复使用运载火箭的寿命可以分为设计寿命、经济寿命和技术寿命3种。经济寿命远远大于设计寿命，技术寿命和经济寿命则取决于二者各自的成本，通常是成本高的一方让位于成本低的一方。

2018年2月7日猎鹰重型火箭成功将樱桃色的特斯拉跑车送入深空轨道，2枚助推成功落船回收

设计寿命是指可重复使用运载火箭从全新状态开始使用直到主要设备故障，火箭不能发射使用所经历的时间。比如着陆支架冲击失效、箭体老化开裂、发动机冷却管道结焦超标、涡轮泵疲劳开裂等等，都将使得运载火箭不再能够使用。

技术寿命是指可重复使用运载火箭开始使用到因技术落后而被淘汰所经历的时间。技术进步将会引起原有火箭型号使用时间缩短而提前退役，比如新的火箭由于采用某些技术革新，单发运载能力更高，可以获得更高的市场收益，那么旧型号火箭的寿命自然缩短。

就拿猎鹰9号运载火箭来说吧，其按照技术迭代目前可以分为3代，代号分别为v1.0、v1.1和v1.2，v1.2还可细分为Block3~5三个版本。从v1.1开始，太空探索技术公司进行了一级垂直回收试验，并在v1.2 Block3的F21和F23分别取得首次陆上、海上回收成功。而F55是v1.2 Block5构型的首飞，一子级从编号B1046开始。Block5之前的版本，即使取得了可重复使用能力，也从来没有使用超过两次的记录，它们已经因为技术落后自然淘汰，结束了其技术寿命。

经济寿命是指可重复使用运载火箭最经济的使用期限，即其使用期限是基于使用成本最低或经济效益最高的评价标准而决定的。可重复使用运载火箭随着使用次数的增加，其主要部件的性能将逐渐退化。在其寿命的末期，因检修到的故障频繁而引起的维修费用急剧增加。可重复使用运载火箭投入使用之后，使用的时间越长，每年分摊的建造成本越少，每次的保养和操作费用却越多。在最适宜的使用次数内火箭平均每次的发射费用最低，这就是经济寿命。

如果只是突破了可重复使用技术，但经济方面不合算的话，将难以长久实现应用。例如航天飞机，虽然技术先进，但每次回收之后的维修发射成本大大超出预期。最初预计仅有3000多万美元，但实际成本达到4亿~5亿美元，这成为航天飞机难以维持的重要原因。

目前所讨论的猎鹰9号运载火箭重复使用次数极限，主要是由其经济寿命决定的。

可重复使用火箭 寿命极限的探索

要掌握一种运输工具精确可信的经济寿命，就必须进行大样本量的统计，建立精确的预测模型。这样，生产厂家才能确定使用多少次后需要进行保养，多少次后需要大修，多少次后应该报废，就像我们熟知的轿车一样。其实飞机也是一样，例如空客320飞行600小时需要进行一次A检，飞行18个月就要进行一次大费周章的C检，基本上要全部拆开检查，修理时长可能长达20~60天。

而目前猎鹰9号运载火箭尚未达到这样的样本水平。对于其经济寿命极限，太空探索技术公司还在不断的探索当中。尽管马斯克曾经声称，猎鹰9号火箭回收10次以内，可以不经维护直接重新加注推进剂使用，就像其第一枚成功回收的助推器那样。但从实际的同一助推器复用时间间隔来看，目前最短间隔时间38天，最长619天，平均值167天，连1个月内复用的情况都尚未出现，这说明太空探索技术公司在利用这段时间对回收的助推器进行深入的检查和测试。只有尽可能详细地了解各个部件的性能退化情况，才能更快地建立精确的寿命模型和操作规范。一种经济的重复使用火箭，必然不是每次飞回来之后都要大卸八块，对每个部分都进行仔细的检查，有些许瑕疵就不敢再次使用。

猎鹰9号火箭回收失败，一级落入海中

2020年2月初，太空探索技术公司的一位工程师透露，他们已经成立了类似于民航客机检修的箭体翻新小组。在翻新过程中，需要检查连接部位和焊缝，并确保所有的航电设备都工作正常。目前检修工作要求非常细致，耗时需要1个月，团队还在实践中摸索。这说明真正意义上的快速检测、复用仍处于研究与试验中。

在厂房中进行翻修检查的B1051.7助推器

2020年3月18日，第6批星链组网卫星发射，首次使用了五手一级箭体，但在一级飞行末段，外围的1台发动机发生故障，一级回收也出现问题未能够成功着船。在发射前夕，总裁兼首席运营官肖特维尔表示，公司不再对猎鹰9号火箭一级进行设计改进，同时不打算复用一级超过10次以上。

这样看来，如果太空探索技术公司不再对猎鹰9号火箭一级进行技术升级，可能它的重复使用极限就会被限制到10次了。

我们知道，猎鹰9号火箭之所以能够获得重复使用上的突破，很大程度上在于太空探索技术公司需要用这一杀手锏大幅压低发射成本，进而获得商业卫星发射市场上的绝对优势。可以料想，如果有新的对手出现，在强有力的竞争下，重复使用火箭技术将继续获得推动，其寿命极限也将得以继续提高。

来源: 《太空探索》2021年第2期