文/陳根
當前，太空旅行正在升溫。亞馬遜的杰夫·貝佐斯（Jeff Bezos），維珍的理查德·布蘭森（Richard Branson），以及特斯拉的伊隆·馬斯克（Elon Musk）都成立了自己的太空旅游公司。這些私人公司正在努力創造一種新的太空旅行商業模式。馬斯克甚至在英國倫敦皇家航空學學會演講放言，在未來15年到20年，美國SpaceX公司計劃將8萬名地球人送往火星殖民。
理想是美好的，但目前來看，卻離人們的生活依舊遙遠，一張太空的門票就要高達5500萬美元。并且，如果不能找到比較經濟的方式從地球到達火星，人類在火星上定居也將無法實現。高昂的成本是比火星上空氣缺乏、水源不明確等環境阻礙還要艱難的問題。而解決這一難題的關鍵之一，就是運載火箭。
如何打破太空旅游的昂貴？
運載火箭，就是能夠將人造衛星、載人飛船、空間站或空間探測器等有效載荷送入預定軌道的航天運輸工具，由單級或多級火箭組成。
作為進入太空的運載工具，運載火箭是一切太空活動的前提和基礎，也決定著載人航天工程的高度，沒有大推力、高可靠、高安全的運載火箭，載人飛船就不可能進入預定軌道，航天員的太空活動也無從談起。可以說，運載火箭的能力有多大，太空探索的舞臺就有多大。
而所有太空產業要能夠實現在商業上有利可圖，或者說整個太空商業生態要想形成，都離不開運載火箭發射服務成本的降低。
2012年年底，馬斯克在倫敦向英國皇家航空學院（Royal Aeronautical Society）做了一次演講，主題是火箭科學技術。在演講中，馬斯克就重點闡述了馮·布勞恩在1952年提出的可重復使用的火箭的構想，火箭的可重復利用即使算不上人類實現火星生存的決定性因素，也將是極大改寫太空旅行成本現狀的關鍵。
馬斯克注意到，發射一枚“獵鷹9號”火箭的總成本是6 000萬美元，其中只有0.3%是燃料成本，因此他說：“如果'獵鷹9號’火箭可以重復使用上千次，那么單次的飛行成本就可以從6 000萬美元降到6萬美元。這顯然將是一個巨大的變化。”盡管“獵鷹9號”還無法承擔哪怕只有一個宇航員的火星旅行任務，馬斯克卻借此說明了火箭的可重復利用將會對成本產生的不可思議的影響。如果火箭的可重復使用性不能實現，馬斯克說：“那我們可能承受不起火星旅行的高昂成本，因為這是將全年國內生產總值的100%，還是0.5%投入其中的差別。”
2011年，在卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的一次演講中，貝佐斯也表示，“藍色起源”的目標是壓低太空旅行的成本，并提高技術的安全性。他說，團隊“努力降低太空旅行的成本，創建一個人類可以親自探索太陽系的未來，隨著時間的推移，緩慢、穩健的進展將會戰勝我們所面臨的挑戰”。
傳統運載火箭都是一次性使用運載火箭，發射服務成本很高，相當于“乘客”不僅僅要掏燃料費用，還需要買下整發火箭才能夠完成發射。如果運載火箭能夠實現回收并可重復使用，那么火箭本身的制造成本就因為可以多次使用被攤薄。其中的原理和航空業相似：乘客只需要掏燃料費用和維護保養費用，而不需要買下整架飛機。這樣的出行商業邏輯，會讓發射服務的價格大幅降低。
可以說，運載火箭是目前通往太空的唯一入口——但目前，運載火箭依然昂貴、流量很小，輕則千萬，重則上億，這就使得很多太空產業的商業模式無法成立，因此，商業航天突破的關鍵點，就在于低成本的商業運載火箭。只有當商業運載火箭能夠將通往太空的流量做得足夠大、足夠便宜，很多太空產業的商業邏輯才能成立，太空旅游才會走向普通人。
獨特優勢的“獵鷹9號”
運載火箭的突破并沒有讓人們等太久。2015年12月21日，馬斯克創立的SpaceX公司成功地在地面著陸墊上回收了火箭“獵鷹9號”的一級火箭。“獵鷹9號”的一級火箭是以自動垂直降落、借助可變推力發動機軟著陸的方式實現回收，在回收應用技術上突破了很多難題。
一方面是著陸點精度高，需要控制在10米內。SpaceX通過打造遙控無人船作為浮動的海上火箭降落平臺，在盡量控制火箭回收著陸點的同時，移動海上著陸平臺來配合火箭。另一方面，SpaceX通過使用變推力發動機，使緩沖發動機的推力在不同高度能變化調節，可以更精確地控制火箭著陸時的姿態，避免了落地姿態不正容易倒下而毀壞火箭的問題。同時，“獵鷹9號”火箭體采用了新型復合材料，在保證較高強度的情況下進一步減輕了重量。
2015年年底的首次成功回收，是人類火箭技術發展的一個重要里程碑，也被《麻省理工科技評論》評為2016年十大突破性技術。
自2016年以來，SpaceX的火箭回收有了更多的成功例子，技術上也日趨成熟，從2017年1月開始形成了常規流程。到2018年2月，已經成功回收一級火箭17個，其中有6個是已經進行過重復回收的，共計23次重復著陸回收。隨著連續多次回收成功，SpaceX開始專注于一級火箭助推器的快速重復使用。
在2017年和2018年已經有11個回收后的一級火箭被重復使用，證明了火箭二次使用的經濟性。第5批次（Block5）的火箭在設計時就考慮了多次重復使用，在幾乎不用檢查的情況下最多可以重復使用10次，在翻新零部件的情況下最多可以使用100次。
可以說，“獵鷹9號”火箭是美國近年來發射頻度最高的運載火箭，也是全球唯一常態化重復使用的運載火箭，各項數據不斷刷新紀錄。2021年實現了單一型號年度31次發射，入軌載荷總重345t，占全球發射質量的53%，平均單次發射載荷質量11.13t。“獵鷹9號”火箭一級回收成為常態，發射成功回收已超100次，其中有3枚一級箭體復用次數更是達到了13次。
“獵鷹9號”火箭憑借重復使用技術有效降低了進入空間成本，增強了其在發射服務市場定價的話語權，LEO軌道和GTO軌道發射服務公開報價約合人民幣2.6萬元/千克和7.8萬元/千克，均低于美國同等能力一次性運載火箭。調研同時發現，其承擔的軍方和政府的項目平均價格比官網報價高約30%以上，這也反映出軍方和政府對SpaceX公司的潛在支持。
不過，“獵鷹九號”還只有一級能夠實現可重復使用，二級仍然是一次性的，只能算部分可重復使用火箭。當前，馬斯克正在推進下一代運載火箭系統的研發，SpaceX的下一代運輸系統“Starship”（星艦），則是一個一級和二級全面可重復使用的運輸系統。這將真正意義上實現運載器的各部分全部回收、多次重復使用，能夠真正實現運載火箭的發射服務成本大幅降低。
并且，這個“星艦”的規模足夠大，起飛推力超過7 000噸，相當于一艘驅逐艦的排水量，真的可以把一艘驅逐艦推離地面。所以馬斯克給它起的名字叫“ship”而不是“rocket”。這是人類有史以來最大的運載火箭，比“阿波羅計劃”的“土星五號”運載火箭還要大。“星艦”的投入使用還將誕生更大規模的運輸系統，移民火星也是有可能的。
航天領域的下一代技術
當然，專注于運載火箭可回收的也并不只是馬斯克SpaceX一家。實際上，在馬斯克的“獵鷹9號”實現回收的同一時期，Amazon創始人貝佐斯也創立了藍色起源太空技術公司，專注于低軌道太空旅游領域，也是可回收火箭技術的重要推動者。
從2015年11月到2016年10月，藍色企業的New Shepard2號火箭已經取得了5次成功發射和再回收。2017年年底，新型的New Shepard3號火箭帶著新的載人艙在大氣層飛到離地面100千米的高度并成功返回；2018年4月底，NewShepard3號火箭再次發射，并在亞軌道飛行后成功回收。
目前，各航天大國都已經加快或即將完成具有重復使用特征的運載火箭甚至重型運載火箭的研制，支撐本國航天活動向更大規模、更高頻次、更遠距離發展。
不過，我國運載火箭重復使用技術尚處于攻關研制階段，距離工程化應用仍有較大差距，還需要盡快加大攻關力度和投入，加快突破以動力、控制等為代表的關鍵技術，推進重復使用的工程化應用。
可以預見，航天領域的下一代技術的發展方向就是全面可重復使用運載火箭的開發。值得一提的是，運載火箭也逃不開“北極熊”規律。動物界有個規律：北方的熊長得比南方的大，全世界體型最大的是北極熊。這背后的原因是，一個物體體積越大，表面積占比越低，這樣北極熊散熱就慢，在寒冷的北方更容易存活下來，于是自然選擇的結果導致北方剩下的都是大熊。
運載火箭同樣如此，火箭規模越大，外殼干重所占加滿燃料的火箭重量的比例就越低，火箭的干質比（火箭不裝燃料的“干重”與裝滿燃料的“總重”之比，干質比是影響火箭運載能力的一個重要指標）越優異，運載系數就越高，平均到單位重量的入軌成本就越低。
可重復使用運載火箭，意味著要預留返回的燃料和設備，相較于一次性使用火箭，可重復使用運載火箭的運載能力一定是下降的。這個運載能力損失比例需要控制在一定范圍內，否則存在一個盈虧平衡點的問題，可回收將會失去意義。
因此，可重復使用火箭的規模一定不能小，越大的火箭在干質比方面越有天然優勢，使得為回收火箭預留的推進劑、設備重量導致的運力損失能夠控制在較小范圍內，這也是為什么SpaceX放棄了“獵鷹九號”二級回收的開發，轉而選擇一個超大規模的火箭（“星艦”）來開發一二級全面可重復使用運載火箭的原因。
還是那句話，運載火箭的能力有多大，太空探索的舞臺就有多大。超大規模的完全可重復使用火箭運載器的出現，這將會徹底改寫人類航天業的經濟賬本，真正打開通往太空的流量，太空商業時代才會真正來臨。
