自1920年左右羅伯特·戈達(dá)德提出液態(tài)火箭發(fā)動機理論后，人類文明的半只腳就邁進(jìn)了航天時代；1944年，德軍的V-2火箭刷新了紀(jì)錄，抵達(dá)190公里的高度；1957年，蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，標(biāo)志著航天時代正式來臨。在此后的半個多世紀(jì)內(nèi)，運載火箭技術(shù)有了極大發(fā)展，我們已經(jīng)在軌道上完成第四代空間站的建造，探測器遍布太陽系各大天體。在1960年代，運載火箭技術(shù)就出現(xiàn)了爆炸式發(fā)展，土星五號和N-1火箭都可認(rèn)為是“暴力機器”，尤其是土星五號起飛質(zhì)量3000噸以上，號稱把一艘驅(qū)逐艦送上天。
但是，土星五號都快五十年了，怎么還沒出現(xiàn)質(zhì)的飛越呢？科幻里的什么反重力也就罷了，至少有些原理上靠譜的發(fā)射技術(shù)，這些技術(shù)現(xiàn)在都怎么樣了呢？
簡單地說，理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感；不是我軍不給力，而是物理學(xué)太狡猾了呀。
歷次阿波羅任務(wù)中土星系列火箭的發(fā)射。圖片來源：wiki
大火箭的客觀規(guī)律：為啥火箭沒有變更大？
在美蘇航天競賽結(jié)束后，運載火箭的對數(shù)期發(fā)展到頭了，開始進(jìn)入穩(wěn)定期。目前世界上最強大的火箭要數(shù)德爾塔-4系列，近地軌道有效載荷在25噸左右，歐洲阿麗亞娜-5ECA和俄羅斯質(zhì)子火箭都屬于同一級別。在最近的數(shù)十年內(nèi)，運載火箭都沒有突破登月競賽的規(guī)模，航天飛機的2000噸起飛質(zhì)量足以鶴立雞群。這是因為近地軌道業(yè)務(wù)的拓展不需要如此強大的火箭，航天飛機就能勝任總質(zhì)量400噸的國際空間站建造，而和平的規(guī)模就更小了，只有130噸左右，我國即將建造的空間站規(guī)模為60噸級。綜上，美蘇當(dāng)時的技術(shù)已經(jīng)甩開全世界好幾條街，如果按這個速度讓他倆再發(fā)展半個世紀(jì)，估計得脫離地球聯(lián)邦玩單飛了。
再牛的事物也無法逃脫一樣?xùn)|西的制約，這就是客觀規(guī)律。美蘇全力登月的背后需要大量的資金注入，阿波羅計劃下的各種天頂星技術(shù)都是錢堆出來的，美國人花了250億（1960年代幣值）美元讓阿姆斯特朗的左腳踩在月球上，開著一輛敞篷月球車兜風(fēng)；而蘇聯(lián)人花了錢也沒撈個名分，N-1火箭還創(chuàng)下了四射四炸的尷尬紀(jì)錄，連發(fā)射塔都炸沒了。美國人贏得了登月競賽，把運載火箭技術(shù)提高了近地軌道120噸的水平，此后全世界都消停了，近地軌道運載能力維持在20至25噸，夠用就好，因為違背規(guī)律的發(fā)展無法長久。
航天飛機與土星五號火箭的合影 圖片來源：NASA
核潛艇與海上移動平臺：小打小鬧的改進(jìn)
登月之后的半個世紀(jì)，世界主要航天國家只干了兩件事情：發(fā)達(dá)國家想把火箭發(fā)射的費用壓低，前提是技術(shù)要進(jìn)步；落后的國家則全力追趕，美國人在1960年代就能把一艘驅(qū)逐艦送上天，過了半個世紀(jì)怎么也得意思下吧。于是有志向的國家就開始研發(fā)各自的運載火箭，而已經(jīng)掌握火箭技術(shù)的國家則開始想辦法降低發(fā)射費用，從商業(yè)發(fā)射中掙到錢。各種奇特的航天發(fā)射方法開始被提出，最有意思的要數(shù)潛艇平臺發(fā)射。1996年，俄羅斯海軍開始了一項新的業(yè)務(wù)，核潛艇部隊除了戰(zhàn)略值班外，還要參與商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，一枚SS-N-23潛射彈道導(dǎo)彈被改裝成運載火箭，將一顆70公斤重的衛(wèi)星送入400公里高度的軌道，這樣不僅能節(jié)省維護(hù)費用，還讓庫存的300多枚潛射洲際彈道導(dǎo)彈有了發(fā)揮余熱的機會。當(dāng)然用潛艇發(fā)射衛(wèi)星也是迫不得已而為之，俄羅斯海軍經(jīng)費窘迫只能開源節(jié)流。從效費比上說，核潛艇發(fā)射衛(wèi)星也有可取之處，不然這些彈道導(dǎo)彈到了年限也要報廢處理。
與此類似的是海基發(fā)射系統(tǒng)，在拋棄冷戰(zhàn)分歧后，俄羅斯人和美國人手牽手成立了海上發(fā)射公司，把發(fā)射架搬到海上。海上發(fā)射平臺是一艘巨大的自航式駁船，領(lǐng)到發(fā)射任務(wù)后可航行到赤道附近的國際海域，統(tǒng)一使用俄羅斯制造天頂-3SL三級運載火箭發(fā)射衛(wèi)星。赤道附近發(fā)射衛(wèi)星，在相同推力條件下可增加有效載荷的質(zhì)量，對于同步軌道的通信衛(wèi)星而言，使用海上移動平臺發(fā)射更廉價，費用會比陸基發(fā)射便宜一些。不過天頂- 3SL運載火箭的有效載荷不大，同步軌道不到2噸，因此要發(fā)射更大的衛(wèi)星就無法使用海上移動平臺，但它的存在為一些小衛(wèi)星發(fā)射提供了便捷通道。
海基發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射衛(wèi)星。圖片來源：spacenews.com
航天飛機：過于昂貴的奇跡
為了進(jìn)一步降低衛(wèi)星發(fā)射的費用，美國宇航局在1970年代提出了航天飛機計劃，可重復(fù)使用這個詞開始進(jìn)入公眾的視野。航天飛機在設(shè)計之初是讓進(jìn)入軌道的貨物單價更加便宜，一架航天飛機可重復(fù)使用100次左右。美國宇航局曾在1977年出版了一本空間運輸系統(tǒng)的手冊，其中提到航天飛機商業(yè)租憑價格為一架次2000萬美元，這是1975年的報價。如果考慮到航天飛機近24噸的商業(yè)載荷，幾家衛(wèi)星公司聯(lián)合包租一架次，那么費用還是可以接受的，比如一顆長度為1米，質(zhì)量接近1噸的衛(wèi)星，平均單價不到300萬美元。
結(jié)果，5架航天飛機機隊總共才執(zhí)行了100多次任務(wù)，每次發(fā)射需要大量的人力和物力準(zhǔn)備，以奮進(jìn)號為例，一次發(fā)射要花費5億美元，與當(dāng)初的設(shè)想相差太遠(yuǎn)。兩次失事更是帶來了沉重打擊，自哥倫比亞航天飛機失事后，美國宇航局在執(zhí)行一次航天飛機任務(wù)時還要準(zhǔn)備另一架擔(dān)任救援機，防止入軌后回不來的情況發(fā)生。如此種種因素，最終導(dǎo)致了它們黯然退役。
但是航天飛機近30年的生涯中依然立下了汗馬功勞。最著名的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)要數(shù)1990年把哈勃空間望遠(yuǎn)鏡送入軌道，還有后續(xù)的修復(fù)工作，要是沒有航天飛機，哈勃的故障可能很難修復(fù)。1989年“阿特蘭蒂斯”號還將伽利略探測器送入軌道，巨大的貨艙讓航天飛機可攜帶大型航天器進(jìn)入軌道，為后續(xù)建設(shè)空間站做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。
航天飛機釋放伽利略探測器與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。圖片來源：NASA
可重復(fù)使用火箭：商業(yè)航天的展望
航天飛機、運載火箭其實都屬于經(jīng)典的航天發(fā)射平臺，目前商業(yè)航天發(fā)射領(lǐng)域已經(jīng)向可重復(fù)使用火箭邁進(jìn)。航天飛機是可重復(fù)使用運載器，但是價格昂貴，而運載火箭為一次性產(chǎn)品，用完就丟，研發(fā)一種可重復(fù)使用的火箭就能達(dá)到又便宜又好用的目的。SpaceX公司就是這個行業(yè)的領(lǐng)跑者，其開發(fā)的獵鷹系列可重復(fù)使用火箭能讓發(fā)動機自動返回，然后再次利用，目前世界上主流運載火箭發(fā)射單價普遍在5000萬美元以上，如果發(fā)動機重復(fù)利用后，發(fā)射衛(wèi)星的費用就接近白菜價了。更重要的是，自主降落的技術(shù)還能用于地外天體登陸，比如降落火星、月球，只要錢的問題解決后，大航天時代也就不遠(yuǎn)了。
不過可重復(fù)使用火箭也不是天頂星的技術(shù)，只是這幾家私人公司利用成熟到爛大街的航天科技，加上先進(jìn)的成本控制與管理方法，將衛(wèi)星發(fā)射這個行業(yè)做到了極致。比如“灰背隼-1D”發(fā)動機就是登月艙上安裝的著陸動力，上個世紀(jì)60年代的技術(shù)，2195鋁鋰合金和攪拌摩擦焊都是拿來就用，真正管用的還是技術(shù)積累到一定程度后的成本控制與管理能力。衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的先進(jìn)性不是小小的可重復(fù)使用火箭所能代表得了的，運載火箭這般古老技術(shù)照理說沒有資格說話，真正大咖應(yīng)該是空天飛機。
SpaceX公司使用可重復(fù)使用火箭發(fā)射衛(wèi)星 圖片來源：SpaceX
空天飛機：遙遠(yuǎn)的理想
空天飛機顧名思義是一種飛機，不僅能在“空”的高度飛，還能在“天”的領(lǐng)域翱翔，因此空天飛機的基本要素就是能水平起降、單級入軌。在世界上任何一處機場起飛，爬高后加速直接進(jìn)入近地軌道，在短時間內(nèi)將衛(wèi)星等航天器送入軌道，具有準(zhǔn)備時間短、成本低的特點。更先進(jìn)的空天飛行器還能在入軌后進(jìn)行行星際航行，想去火星去火星，想去月球去月球，妥妥的說走就走的旅行，具體可以參考《星際穿越》中的飛行器。
空天飛機由于飛行環(huán)境變化較大，因此其涉及到的技術(shù)更加繁雜，比如動力裝置就是一大難啃的骨頭。大氣層內(nèi)飛行需要使用吸氣式發(fā)動機，軌道運行則要切換到火箭動力，要想讓吸氣式發(fā)動機提供25馬赫的入軌速度，目前也僅是紙上談兵。在空天飛機發(fā)展上仍然是美國人走在最前面，比如1980年代的國家空天飛機計劃，最后由于概念過于先進(jìn)而停止發(fā)展，但也基本掌握了空天飛行器的一些成果，比如超燃技術(shù)等。
空天飛機可在任意一處機場起飛，加速入軌后可投放衛(wèi)星等載荷。圖片來源space.com
太空電梯：近未來科幻之夢
空天飛機是許多科幻片基本元素，直接進(jìn)入軌道能夠開展各種空間作業(yè)，當(dāng)然還有許多未曾推廣的技術(shù)也可以用于衛(wèi)星發(fā)射，比如太空電梯。在最新的科幻片《木星上行》上就有直接通往軌道的大型建筑，可從地面直接進(jìn)入軌道，如果用這種方式發(fā)射衛(wèi)星，那么成本就更低了。早期的太空電梯設(shè)想來自俄羅斯航天專家齊奧爾可夫斯基，后來阿瑟·克拉克在他的小說中將太空電梯進(jìn)行推廣，構(gòu)思了一種停留在同步軌道上的航天器向下釋放懸梯，人們可乘坐懸梯直接進(jìn)入太空。太空電梯的研制仍然處于理論推進(jìn)之中，最大的問題在于材料，日本一家公司正在攻克碳納米技術(shù)，稱將在今年2050年開建太空電梯，定點在赤道上空的靜止軌道上，1公斤的衛(wèi)星載荷只要200美元，比任何一種發(fā)射方式都要便宜。不過太空電梯仍然面臨其他外界的因素制約，比如軌道碎片，如何避免意外撞擊也是個棘手的問題。
太空電梯提供了超低衛(wèi)星入軌的費用，1公斤的衛(wèi)星載荷只要200美元。圖片來源：sapiains.deviantart.com
超電磁炮：或許并不那么科學(xué)
還有一種設(shè)想中的發(fā)射衛(wèi)星的方法是磁懸浮助推發(fā)射，利用磁懸浮軌道技術(shù)對航天器進(jìn)行初段加速，然后航天器啟動發(fā)動機，這樣可大大降低起飛時的能量消耗，同時能夠提升載荷的攜帶量。磁懸浮助推發(fā)射的原理與磁懸浮列車類似，都由驅(qū)動電機和軌道構(gòu)成，有研究人員通過計算得出，如果航天器的質(zhì)量為500噸，利用現(xiàn)有的磁懸浮技術(shù)可將其加速至0.7倍音速；但是這樣消耗的功率卻相當(dāng)大，如何獲得強大的脈沖磁流發(fā)電機是該工程能否實現(xiàn)的難點。
電磁技術(shù)目前主要用于小型載荷的遠(yuǎn)程投放，將其用于發(fā)射衛(wèi)星不太合適。圖片來源：Wiki
有了磁懸浮加速發(fā)射裝置，那么建立在電磁加速原理上的電磁炮也曾被考慮由于衛(wèi)星發(fā)射。目前電磁炮還僅限于發(fā)射小型炮彈。美國海軍測試中的電磁炮可獲得7馬赫的初速度，射程數(shù)百公里，彈頭重量僅為10公斤，因此要用電磁炮發(fā)射衛(wèi)星不太現(xiàn)實。目前規(guī)格比較高的電磁炮電源能量達(dá)到200MJ，可發(fā)射20公斤的彈頭，也是7馬赫的出膛速度，射程為300多公里。如果要用電磁炮發(fā)射衛(wèi)星需要功率更大的電源，技術(shù)上難以實現(xiàn)。更重要的是電磁炮發(fā)射時物體要承受極大的載荷，以10公斤的彈頭為例，初速達(dá)到5至7馬赫要承受數(shù)萬個G，因此利用電磁炮發(fā)射衛(wèi)星是不合適的。
本文看起來似乎都是在潑冷水——但這些都是我們現(xiàn)實中面臨的真正困境。如果某一天某一項困難得到了突破，那么我們的航天飛行技術(shù)也許就能夠迎來下一次飛越；不過同樣可能的是，下一次飛越將誕生于那些腦洞更大、距離現(xiàn)實更加遙遠(yuǎn)的推進(jìn)方式之中。這些構(gòu)想中的方式甚至連非常規(guī)都算不上，跡近于異想天開——但那就是另一篇文章的主題了。（編輯：Ent）
