“二手火箭”起飞：一次普通而又不普通的发射

□ 田丰

“二手火箭”起飞：一次普通而又不普通的发射

□ 田丰

这是一次“普通”的发射，由太空探索公司的“猎鹰”9运载火箭为卢森堡SES公司发射一颗重5.28吨的SES-10通信卫星，卫星具有50个Ku转发器，没有任何看起来值得一书的地方。但这又是一次极不普通的发射，一次有可能改变人类航天工业未来发展方向的发射，因为这次发射中的“猎鹰”9火箭一级是一枚已经发射过的“二手火箭”。这枚史无前例的“二手火箭”不仅又一次圆满完成了自己的发射任务，而且又一次准确飞回了距发射台300千米外的海上回收平台。

复用一枚可进行入轨发射的液体运载火箭，堪称人类航天史前所未有的一次尝试，因为几乎所有的液体运载火箭都是一次性的。无论是将人类送上月球的“土星5号”运载火箭还是苏联的“能源”运载火箭，这些庞然大物一旦在发射完成后都会变成一堆废铁从天而降，再也不能使用。相对于日常生活中汽车和飞机等可重复使用的交通工具而言，多级运载火箭的一次性使用可谓相当另类，这直接导致了人类进入太空成本居高不下，而像科幻电影中所描述的航班化往返于天地间更近乎是痴人说梦。

于是很多航天人设想火箭在发射后能利用富余燃料受控回收，并且重复使用，这样会不会大幅度降低航天发射成本，甚至使人类有能力殖民外星球呢？有想法的人很多，但是实践的人很少，成功的人更是鲜有。

①SES-10卫星在厂房

②回收并翻修中的梅林发动机

③调试中的回收机器人

④回收机器人CG图

“二次使用”成现实

众所周知，太空探索公司在2015年12月22日首次完成了“猎鹰”9火箭一级的陆地回收。4个月后，2016年4月8日，在执行第八次国际空间站货物补给发射时，火箭一级通过液压推杆驱动的冷分离机构与火箭二级顺利分离，沿着预先规划的回收弹道飞回海面，经过三次不同作用的反推后稳稳着陆在大西洋上的浮动回收平台。虽然首次海上回收难度更高，但这种模式相对陆地回收所浪费的运力更少，所以前景光明。

在回收完成后，公司便急于为这枚官方编号为021的火箭一级“撮合二婚”，可惜客户们出于风险和太空探索并不良好的安全记录，鲜有用户买账。直到SES公司提出愿意以五折报价吃这个“螃蟹”，于是这枚回收火箭的再次发射便被提上日程。公司原定于2016年10月将其重新发射升空，但是天有不测风云，同年9月1日阿莫斯-6卫星任务静态点火过程中另一枚新火箭突如其来的惊天一炸，彻底把这个火箭复用的“美梦”击得粉碎。公司一夜之间再次跌下神坛，各路负面消息一时间充斥媒体。

历经4个多月的事故调查后，公司于2017年1月14日利用一箭十星的二代铱星任务恢复了“猎鹰”9发射。而这枚021一级在回收后，经过长达一年的漫长的解体、翻修、检查和测试后，终于迎来了“重装上阵”的机会！值得一提的是，作为液体运载火箭的核心，这枚二手火箭一级的9台“梅林-1D”液氧/煤油火箭发动机均翻修自执行2016年4月发射任务的那9台，是真正的“二次使用”。

火箭着船瞬间

初心不改的复用之路

太空探索公司创始人马斯克在2013年接受访谈时，首次公布了垂直起飞、垂直降落思路的回收和复用方案（当时该方案甚至包括火箭二级回收）。意图创造一款能够重复使用的火箭，在完成任务后能够安全返回，仅经过快速翻修即可执行下一次发射。这个想法看似美好，但是在冒出这个想法的时候正好是人类第一款可复用航天器——航天飞机退役后不久，也是可复用航天器最绝望的一个时代，任何可复用太空运载系统都有可能被怀疑为一条“邪路”。由此看来，公司对于可复用运载火箭的追求近乎于“执念”，但正是这份“执拗”才成就了今天的成功。

在此次复用发射之后，我们必将见到更多的用户订购“二手”的，或者说“发射验证”过的火箭。尤其是本次发射的“配角”SES公司已经明确表态将继续订购复用火箭发射来节约成本。或许未来二手火箭发射会像现在的一次性火箭发射一样稀松平常。但可回收运载火箭从诞生到最终实用并不是一蹴而就的，个人认为可以分为三个阶段：

首先需要证明以“垂直起飞，垂直降落”方式回收火箭是可行的；然后是证明回收火箭的再次发射从技术上是可行的；最后是证明复用火箭能够从根本上降低航天发射的费用，这将是最难、最关键也最漫长的一个步骤。

如果说2015年末的陆上回收证明了回收的可行性，那么这次发射就是第二阶段完成的最佳证明。当然最困难的就是第三步，航天飞机就是倒在了第三步上，虽然实现了复用，但成本不降反升，再加上两次重大事故的打击，最终只能黯然落幕。因此第三步可能需要五年、十年甚至更久。然而，我们可以看到，太空探索公司依旧在不断改进和完善自己的可回收火箭，并预计于年内推出全新的“猎鹰”9 Block5改型。由于航天飞机的前车之鉴，在这条路上太空探索公司如此孤独，传统的发射承包商无一跟随，只有杰夫·贝索斯旗下蓝色起源公司的亚轨道火箭“新谢泼德”和尚处在纸面阶段的“新格伦”火箭采用了类似思路。

目前太空探索公司的“猎鹰”9火箭6200万美元的公开发射报价已经相当低廉，只有印度和中国可以在报价上与之匹敌。如果未来复用火箭逐渐成熟，报价还将进一步下降。太空探索公司官方表示尽管此次复用发射的一级火箭经过了长达一年的翻修，但仍然比新造一级节省近50%费用。公司近期将会为复用发射客户提供0%～30%的折扣，远期有可能低至0%～60%。届时在商业发射市场上，太空探索公司将有可能成为价格屠夫，倒逼同行业公司进行类似的创新。而仍然从事一次性火箭发射的同行虽然依然能够生存，但是日子绝对没有现在那么好过。

人工固定火箭

机库中的SES-10芯级

折扣、保险和竞争对手

复用火箭不仅对于航天界是一个新生事物，对卫星保险行业而言也是全新的课题。通常商业卫星运营商所投的保险包括在轨运行的第一年。在这之后，低成本政策将覆盖在轨正常工作的每一年。得益于卫星保险行业的历史性疲软，导致保险业长期处于买方市场阶段，太空探索公司虽然仍属于“业界新贵”，但发射的卫星保险费率却并不高，加之只要不发生重大发射事故，公司未来每年有望执行12次以上的火箭发射，这个发射频率在保险业绝对是炙手可热的“大客户”。因此2015年末才完成最新大改并首飞的“猎鹰”9全推力型火箭的保险费率已经和17年没做过大幅设计变更且安全记录优异的“阿里安”5型火箭基本一致，均不高于6%。

一直以来，太空探索公司都是航天企业中的“异类”，公司承袭了硅谷IT软件行业“小幅改进，快速迭代”的设计思路，公司主力的“猎鹰”9火箭一直都处在不断的改进当中。曾有保险公司表示愿意为“猎鹰”9火箭承保，但却抱怨每次任务中太空探索公司都会对火箭进行各种设计变更，使保险公司难以评估这些变更将对发射安全造成哪些影响。

由于复用火箭潜在提升了任务失败的概率，复用发射的保费费率如何确定，是太空探索公司和保险业需共同面对的课题。然而针对SES-10这次发射而言，凭借着卢森堡SES公司的良好“口碑”担保，此次发射保险费率与以往新火箭一致。但这仅仅是首次复用发射，未来多次复用火箭的保险费率会不会有所上浮，费率上升是否会导致火箭发射报价的变动，目前仍是未知。

但是，太空探索公司已表示未来有意彻底取消一次性发射任务，所有“猎鹰”9发射都将包括在可回收运力范围内（目前地球同步转移轨道载荷发射的海上回收运力极限是5.5吨左右），而超出该范围的载荷将采用运力更强的重型猎鹰火箭执飞，而重型猎鹰火箭也将进行回收和复用。也就是说，未来复用火箭发射在公司业务中的占比将越来越高。有趣的是，财大气粗的美国空军之前曾表示无意采用复用火箭发射军用载荷，但在此次复用发射成功后不久就改口表示有意在未来考虑订购更具“性价比”的复用火箭，看来“省钱”是所有客户一致的追求。复用火箭虽然看似前途光明，但已有的试验已经暴露出了不少亟待改进的问题。因此回收和复用流程免不了持续改进，未来的复用之路更是道阻且长。

回收过程中被气动加热变红的格栅舵

箭体的OctaWeb承力结构

持续改进和完全复用

作为火箭回收领域的探路者，太空探索公司仍在不断摸索和改进整个回收体系，发射前就有媒体曝光了公司正在调试的“火箭回收机器人”。这款机器人的实际作用是代替以往的危险而又笨拙的回收箭体固定方式，提供一种快速的箭体固定模式，防止火箭因为甲板的横纵摇动而滑落海中。

在以往的“猎鹰”9发射中，一旦火箭平稳降落，在另一艘工作船上的工作人员就需要冒险登上回收驳船手动安装四个固定结构，然后将固定结构就地焊接在甲板上，这时火箭才与驳船可靠连接，可以承受返航过程中所面临的风浪。

而有了这款机器人之后，只需要将机器人安放在回收平台可倾转的挡焰板后方。然后与以往一样，火箭照常发射并降落至平台上。在火箭着陆稳定后，机器人从挡焰板后方移动出来，在工作人员遥控下开始向火箭正下方移动。四只机械臂对准箭体结构上的吊耳并进行连接，之后机器人会进一步吸附在甲板上，从而间接使火箭固定在甲板上。

它的出现大幅度缩短了箭体着陆到箭体固定之间的时间间隔；省却了焊接操作，降低了对驳船甲板的损伤；也减少了驳船维护和装卸的工作量；提高了回收的安全性，甚至有可能免去工人登上回收驳船的步骤。

这款机器人虽然算不上什么颠覆性的发明，最多不过是为回收工作锦上添花，但是要知道，首次海上回收成功距今仅仅不到一年，太空探索公司已经基本摸清了海上回收的流程，不仅逐步改进了回收平台，还需要进一步优化装卸流程，所以这款机器人应运而生。虽然该机器人正式投入使用还要假以时日，但其作用不容小觑。

当然改进不仅限于回收平台，火箭本身的改进更是关键。由于铝制格栅舵在回收过程中与大气剧烈摩擦发热，并受到严重的气流冲蚀而受损，难以多次使用，格栅舵未来将被替换为钛合金材质。虽然重量和成本上有所上升，但是随着复用次数的增加，长期来看还是会节省成本并减少翻修工作量的。

此外太空探索公司还在尝试整流罩回收，但公司对于具体的回收方案讳莫如深，只能从发言人的只言片语中管窥一二。而此次发射中就秘密进行了整流罩回收试验，但结果似乎并不成功，不仅只成功回收了两片整流罩中的一片，而且根据照片显示回收的整流罩已经破损。不过考虑到官方公布的整流罩500万美元的成本，如果未来整流罩回收并复用成功，所带来的成本下降同样不容小觑。

除此之外，太空探索公司不再满足于回收火箭一级，还要在重型猎鹰火箭的首次发射中尝试回收二级，由于二级在发射中一般都已经入轨，回收需要再入大气层，消耗大量燃料。此外二级一直都是一次性设计，虽然回收方案尚未公布，但肯定需要加装热盾和气动翼面，这样又会增重。短期来看即使回收成功，从费效比角度也并不划算，因此更多是利用重型猎鹰火箭富余运力进行的一次技术演示。

随着公司未来整流罩回收的实现和“猎鹰”9的最新复用改型Block5的推出，“猎鹰”9的回收从物料成本上无疑是节省的，毕竟回收了整枚火箭90%的梅林发动机和大部分箭体。但是考虑到目前公司宣称的4个月的翻修周期和零部件解体、更换、测试的额外成本，以及多次复用后有可能带来的保险费率上升，目前现有的回收体系究竟能不能在数次复用后依旧能保证火箭可靠，能不能降低发射服务的费用，究竟能降低多少发射服务的费用，仍然未知。不过即使多年以后，复用火箭如航天飞机一样证明并不经济，但太空探索公司的努力至少为我们又指出了一条“死胡同”。从这个角度来讲，也算得上是大功一件了。

火箭返回CG图