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可復(fù)用的航天運(yùn)載器

關(guān)于航天運(yùn)載器的復(fù)用，自蘇聯(lián)將人造地球衛(wèi)星一號(hào)送入軌道以來，一直是航天界最偉大的暢想之一，卻長(zhǎng)期只存在于暢想之中。

航天發(fā)射耗費(fèi)不貲的最主要原因，就是天地往返平臺(tái)的“一次性”特性。整體結(jié)構(gòu)脆弱猶如雞蛋，且受制于現(xiàn)有技術(shù)和基礎(chǔ)理論的冷酷無情，那些耗費(fèi)巨額公帑建造起來巍峨壯觀的運(yùn)載火箭，其真正的有效載荷僅有頂端“針尖”那么大的一點(diǎn)——通常不超過全箭起飛總質(zhì)量的2%。而其余的98%，除去燃料和氧化劑部分，或者將燒毀在大氣層中，或者最后化為殘骸墜地。。

1969年，美國國家航空航天局曾以無比的雄心壯志，勾勒出一種偉大的可復(fù)用載人航天器的藍(lán)圖。那便是著名的航天飛機(jī)。1981年4月12日，第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)成功發(fā)射，與其駕駛者宇航員約翰·楊（John W·Young）和克里平（Robert L·Crippen）共同揭開了人類航天史上新的一頁。

計(jì)劃在STS-1任務(wù)中發(fā)射的航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)矗立在發(fā)射臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試和演練。照片攝于1980年12月

航天飛機(jī)是一種飛機(jī)與火箭的奇妙結(jié)合體。以“哥倫比亞”號(hào)為例，其機(jī)體長(zhǎng)約56米，翼展約24米，自重68噸。雖然名為“飛機(jī)”，但航天飛機(jī)其實(shí)無法像飛機(jī)一樣水平起飛。在發(fā)射時(shí)，它需要被固定在一個(gè)巨大的燃料罐上，同時(shí)由兩枚可復(fù)用的固體燃料火箭助“一臂之力”。在起飛階段，它與火箭的組合體重約2040噸，起飛總推力達(dá)2800噸，自重68噸，能裝運(yùn)36噸重的貨物。它的核心部分軌道器長(zhǎng)37.2米，大體上與一架DC—9客機(jī)的大小相仿。最多可載8名宇航員，根據(jù)成員數(shù)量，在軌時(shí)間可達(dá)7至30天。軌道器可重復(fù)使用100次（設(shè)計(jì)目標(biāo)，未達(dá)到）。航天飛機(jī)集火箭和飛機(jī)的多項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)于一身。其發(fā)射時(shí)和火箭一樣垂直升空，在完成在軌任務(wù)再入大氣層以后，又刻意像飛機(jī)那樣滑翔著陸。其堪稱上世紀(jì)人類航天諸尖端技術(shù)的化身。

然而航天飛機(jī)究其原始意圖——可重復(fù)使用，進(jìn)而降低航天發(fā)射成本來說，卻是一個(gè)十足的災(zāi)難。因?yàn)檫@東西雖然實(shí)現(xiàn)了重復(fù)使用的設(shè)計(jì)初衷，但高昂的維護(hù)費(fèi)用卻導(dǎo)致了更高的使用成本。

究其原因，問題是多方面的。

首先，航天飛機(jī)的機(jī)身設(shè)計(jì)雖理論上可重復(fù)使用百次，但每每在再入大氣層經(jīng)歷過高溫和劇烈震動(dòng)后，最終降落后都必須對(duì)機(jī)身進(jìn)行逐寸的檢查。其次，為了保障航天飛機(jī)能夠安然渡過灼熱的減速過程，其覆蓋于機(jī)腹呈黑色部分的兩萬余片隔熱瓦。這種特殊的絕熱材料先進(jìn)但卻昂貴。

其次，航天飛機(jī)為了實(shí)現(xiàn)軌道器復(fù)用，入軌死重很大：起飛質(zhì)量超過2000噸、入軌質(zhì)量近百噸，是一枚不折不扣的超重型運(yùn)載火箭，可是軌道器死重足足68噸，LEO運(yùn)力只有30噸出頭，“哥倫比亞”號(hào)事故后，為了提高安全性，LEO運(yùn)力進(jìn)一步下調(diào)、被限制在20余噸。

與機(jī)身的麻煩重重相比，反倒是被稱為SSME（天天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)）的RS-25液氧\液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠穩(wěn)定。其被設(shè)計(jì)可重復(fù)使用50次。

航天飛機(jī)發(fā)射階段照片。圖為助推器從主體分離時(shí)的影像記錄

航天飛機(jī)被設(shè)計(jì)可在2000公里以下圓形軌道上工作，也可進(jìn)行同步轉(zhuǎn)移軌道飛行。但由于使用成本和遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)期的出勤周期，美方并未讓其執(zhí)行過后一種任務(wù)。成本加上使用周期的雙重問題，導(dǎo)致其最終無法和原計(jì)劃的那樣淘汰運(yùn)載火箭。最終，因?yàn)榘踩裕▋纱纬藛T組全滅的災(zāi)難性事故）和成本高昂等原因，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到“復(fù)用100次”指標(biāo)的情況下，提前退役。

通過航天飛機(jī)的悲催生涯，人們很容易就能看出問題的實(shí)質(zhì)：想要實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)載器的重復(fù)使用，高速再入大氣層的問題是最大的瓶頸。一旦運(yùn)載器獲得了足夠的速度沖出了大氣層，在以第一宇宙速度再入大氣層的過程中，就必然要經(jīng)歷曾經(jīng)讓“哥倫比亞”號(hào)空中解體的高溫、沖擊和震動(dòng)。另一方面，要盡量降低為了實(shí)現(xiàn)復(fù)用而付出的運(yùn)力損失代價(jià)，否則，在經(jīng)濟(jì)上、復(fù)用是得不償失的。

2003年2月1日，“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)于STS-107任務(wù)（航天飛機(jī)總第107次任務(wù)）中，由于機(jī)翼上隔熱材料在起飛階段遭意外損壞，于大氣層再入階段解體墜毀。機(jī)組人員全體殉難。圖為解體后掠過蒼穹的“哥倫比亞”號(hào)殘骸

談到這里，既然問題的核心已經(jīng)明確了，那么究竟打算去怎么解決呢？SpaceX的答案是——不去解決，繞過問題！怎么繞過？不考慮航天運(yùn)載器沖出大氣層部分的回收問題，只回收速度較慢的第一級(jí)部分。

所以，我們最終的問題就是：怎么回收火箭的第一級(jí)？這種回收復(fù)用在經(jīng)濟(jì)上劃算、可行么？

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