壮士断腕还是吹牛后食言？——细数SpaceX这些年做过的抉择

文/ 田丰

▲ 美国现役及未来飞船集合

在2017年7月的国际空间站研发会议上，美国太空探索技术公司（以下简称SpaceX）创始人艾隆·马斯克正式确认了第二代“龙”飞船的动力着陆项目（也就是反推着陆）的取消，原定于2020年的红龙火星探测任务也随之取消。反推着陆作为第二代龙飞船最具看点的技术特性，它的取消令业界一时哗然。而SpaceX公司自己也表示这是一项“艰难的决定”，但终究二代龙飞船还是回到了海上伞降回收的“老路”上，一时间光环散尽，泯然众人。唏嘘慨叹之余，从该公司一路的发展历程来看其实也并不意外，反推着陆的取消可以说即是偶然也是必然。在SpaceX创办至今的16年时间里，这并非其第一次大幅修改自己的研发计划。由于公司一直坚持不上市，创始人马斯克的强烈个人性格融入了公司日常运作当中，因此食言反复甚至是壮士断腕般挥刀自砍某些型号和技术特性的事情不胜枚举。然而随着时间的推移和技术的进步，在SpaceX公司已经完成火箭回收复用，并向载人航天和卫星互联网发起冲击的今天，我们才发现，正是这些在外人看来难以理解的惊人之举保全了这家公司，节约了宝贵的研发经费和时间，维持了公司的收支平衡，成就了今天的SpaceX公司。今天我们就回头望去，看看SpaceX公司从创办伊始，都曾经“吹过哪些牛”，又“食过哪些言”。

反推梦碎的二代龙飞船

事实上二代龙飞船反推着陆项目的取消并不能完全归咎于SpaceX公司本身，二代龙飞船的主要客户美国宇航局的反对也是诱因之一。二代龙飞船最早称之为“龙骑士”（DragonRider），是一款载人/货运通用的新型可复用飞船。在2011年航天飞机退役之后，美国一直都没有恢复载人航天能力，只能购买俄罗斯联盟飞船的“船票”来维持国际空间站的运转。但俄罗斯“极不厚道”地哄抬“船票”价格，从2011年的每个座位不足4000万美元飙升至如今的8100万美元。忍无可忍的美国宇航局模仿“商业货运服务”（CRS）的成功经验，推出了“商业载人航天计划”（CCP），并于2014年10月正式选择波音和SpaceX公司成为项目中标方，该项目不同于猎户座飞船的传统研发资助模式，两家公司可以将研发完成后的飞船用于其他载荷和乘客的发射，而该局则采用买“船票”的方式购买两家公司的载人航天服务，两家需“保质保量”的根据合同约定完成向国际空间站运送航天员的任务。从该项目运转数年的经验来看，相对于猎户座飞船这种“无底洞”式的承包方式，商业航天的确为美国纳税人节省了大量经费。

▲ 猎鹰重型发射红龙想像图

自此，美国宇航局（以下简称NASA）便深度参与到了二代龙飞船的研发过程中，把控着各种关键技术方案和研发里程碑。其中最为严格和苛刻的一个参数之一就是“乘员损失率”（Loss of Crew，简称LOC），NASA对两家公司新一代飞船在返回地球过程中的LOC率要求远高于所有人类已有的载人航天器。当然这是有原因的，2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在返回地球过程中发生事故解体，7名航天员不幸遇难。NASA背负了巨大的舆论和政治压力，已经不能承受再一次失去航天员的伤痛和损失。同时也催生了NASA对载人航天器近乎“变态”的安全性要求。

▲ 红龙飞船着陆火星想像图

▲ 交叉燃料输送简图

▲ 首飞的重型猎鹰火箭可以看到明显的芯级节流现象

▲ 猎鹰5号火箭

SpaceX公司在2015年的二代龙飞船发布会上，曾高调宣布该飞船将一改美国以往载人飞船的伞降+落海的回收方式，而是采用飞船侧壁的8台“超级天龙座”（SuperDraco）小型液体发动机，来帮助飞船完成最后的减速和着陆过程，飞船将像猎鹰9号火箭一样垂直着陆在平坦的陆地着陆场上。此外，由于陆地软着陆避免了海水浸泡和落地的瞬时冲击，对飞船的重复使用也大有助益。不仅如此，这种设计更巧妙的地方在于“超级天龙座”既是飞船的“着陆发动机”，也是“逃逸发动机”，避免了飞船入轨后逃逸发动机就成为“死重”的弊病，可以“一机两用”。“超级天龙座”发动机采用接触自燃的有毒燃料组合，点火迅速可靠，推力可调，甚至可节流至20%；体积小巧，但可以产生71000牛的推力；每两台发动机一组，互为冗余，且设置有围壳保护，防止爆炸时危及航天员。这种科幻的着陆方式被当时的SpaceX公司称之为“二十一世纪飞船的着陆方式”，但可惜的是NASA似乎从来都没有这么认为过！鉴于航天飞机的惨痛教训，NASA经过评估后认为反推着陆相对于降落伞着陆，可控性能更差，导致其带来的快速着陆等优点难以弥补其带来的巨大风险。因此，即使SpaceX公司设置了群伞系统作为备份，而且拟定采用渐进过渡的方式普及反推着陆，但NASA仍然不满意，并在SpaceX公司决定取消这一功能的过程中投上了至关重要的一张反对票。

惨遭波及的红龙

不过反推着陆的取消并不能完全归咎于NASA的保守，SpaceX公司自己在技术路线上的抉择也发挥了重要的导向作用。因为反推着陆并不仅仅是一项针对载人飞船返地着陆的技术方案，更是其通往火星的“宏图大业”中的一项必要技术储备，这个中间环节就是代号“红龙”（RedDragon）的火星无人试验飞船。对二代龙飞船而言，反推着陆的取消仅仅改变了着陆方式，但对于红龙而言却是毁灭性的打击。很多人认为这是SpaceX公司火星之路的一次挫折，但事实或许正好相反，马斯克已经等不及去火星了，所以他略去了“红龙”这个并不必要的中间阶段。

说起“红龙”，源自于2016年4月SpaceX公司和NASA正式签署的一份合同，合同计划最早于2018年使用猎鹰重型火箭将代号“红龙”的火星着陆测试飞船送往火星表面。虽然此次任务主要是SpaceX公司的内部任务，但也会为NASA和SpaceX公司的未来火星任务积累技术经验。红龙飞船可以根据着陆地点的不同，向火星表面投送2-4吨不等的有效载荷。“红龙”实际上是正在研发的二代龙飞船的火星版本，由于师出同门，红龙在火星表面的软着陆同样依靠飞船侧壁的8台“超级天龙座”发动机，它能在点火指令下达的100毫秒内达到全推力状态，并实时调整推力和姿态。

▲ 悬停实验（其实是Dragonfly试验机）

但是这对慷慨注资的NASA来说有什么好处呢？答案是超音速反推（supersonic retropropulsion），这是一种对载人火星登陆极其关键的技术。NASA曾表示“超音速反推技术是任何载人火星任务所必须的”，因为之前的降落伞、安全气囊甚至“好奇号”所使用的“天空升降机”系统，都只能把最多一吨的载荷投放至火星表面。而相比之下，一个载人火星登陆器很可能重达几十吨。超音速反推技术提供了看似简单的大质量登陆方案：当穿过火星稀薄大气层时，飞船将在超音速状态下迎风启动反推发动机来减缓速度，直至最终软着陆表面。但在这一阶段，飞船的空气动力学及其稳定性是计算机模拟和小规模风洞试验很难掌握的，因此只能通过实际的火星飞船任务来进行验证和实践。而对于SpaceX公司来说，不仅是超音速反推，“红龙”这种半弹道再入式飞船在火星稀薄大气环境下的各种气动、姿控和热控数据更是一笔宝贵的经验遗产。但是因为反推着陆的取消，红龙项目也只能无奈中止，看似可惜的同时SpaceX公司其实有自己的考虑，因为公司最终的目的是研发一款可以大规模向火表投送人员和物资的升力体式再入飞船（类似航天飞机），也就是公司近两年在国际宇航大会上不断展示的“行星际运输系统”（ITS，2017年又将名字改回BFR）。而红龙飞船的再入方式与其迥然不同，即使任务成功，对“行星际运输系统”的研发助力也不是很大，因此对火星已经急不可耐的马斯克选择了略去无用的红龙，直奔主题！

不断增推的牺牲品—交叉燃料输送

SpaceX公司当前的研发项目众多，因此有所取舍也是非常正常。据称“红龙”取消后，后续将集中精力研发“行星际运输系统”（2016年国际宇航大会上叫这个名字，2017年其实就叫BFR+BFS了），其所使用的代号为“猛禽”的液氧甲烷发动机，“猛禽”将像“梅林”系列发动机一样，既做为起飞发动机，也作为反推着陆发动机。而“行星际运输系统”中的火星飞船部分，将像航天飞机一样进入火星大气，并在最后着陆阶段掉头启动发动机，像猎鹰9号火箭一级一样反推减速直至最终着陆。所以“红龙”就成了SpaceX公司自家技术变革后相互竞争中落败淘汰的牺牲品。然而在SpaceX公司研发史上，这样大水冲了龙王庙的事情并不止一次发生过，曾作为红龙飞船“御用座驾”的猎鹰重型火箭，也曾经面对过这种情况。

▲ 图中黑色三个物体就是降落伞包，对称布置，图外上面还有三个

2011年，SpaceX公司在宣布猎鹰重型火箭时，马斯克曾表示猎鹰重型火箭是史上首款使用推进剂交叉输送技术的火箭。这种技术将会联通猎鹰重型火箭两枚助推器和芯一级的推进剂储箱，火箭点火起飞后助推器储箱不仅向其发动机提供推进剂，还将通过联通机构向芯级输送推进剂，以弥补芯级发动机工作中的消耗，这样在助推器工作完成关机分离时，芯级储箱的推进剂消耗很少甚至可能不消耗，从而使这款二级半火箭获得了相当于三级火箭的性能。据SpaceX公司称可将运载能力提高超过20%～30%，但目前来看该数据过于乐观，因为近些年无论是“波音”构想的新一代可重复使用运载器RLV（Reusable launch vehicle），还是俄罗斯赫鲁尼切夫航天中心的安加拉系列火箭，都曾构想过各种各样的推进剂交叉输送技术。虽然该技术会获得一定的性能提升，但随之也会带来一些额外重量，并对火箭可靠性产生负面影响。

整整7年过去了，猎鹰重型火箭的首射时间一推再推，而随着猎鹰9号火箭运力的不断飙升，猎鹰重型火箭的运力也水涨船高，一次性近地轨道运力从早期的24.75吨，后升至53吨，直至2017年4月更新为备受争议的63.8吨，并最终于2018年2月7日首射成功。因此SpaceX公司目前已不再提及交叉燃料输送这项技术了。虽然未经证实，但业界分析SpaceX公司考虑到技术风险和复杂度，同时考虑到猎鹰重型火箭即使不采用交叉燃料输送，运力仍然高度富裕，转而采用类似重型德尔塔4火箭的芯级节流的保守方案。即使考虑不同回收模式会损失30%～50%的运力，其运力水平在2019年末“太空发射系统”首飞之前仍然稳坐现役运载火箭的头把交椅，即使回收导致运力大减，依旧能够满足所有已有载荷的发射需求（不考虑整流罩限制）。这样一来，费力不讨好的交叉燃料输送就更无必要了，当然交叉燃料输送也并非后继无人，SpaceX公司在“行星际运输系统”上构想的大规模低温推进剂在轨加注技术，建立在航天飞机时代外挂储箱向SSME（Space Shuttle Main Engine）成功输送推进剂的成功经验之上，也将是这项技术的另一次复活。

▲ 红龙飞船在火星大气进行超音速反推想像图

“猎鹰5”和伞降回收的传说

其实类似的技术抉择在SpaceX公司的历史上还有很多。比如2012年，在面临技术资金及公司长远规划的问题时，SpaceX公司果断叫停了富有科幻气息的猎鹰5号空射液体火箭项目。转为集中精力研发现在的主力型号“猎鹰9”，可以说是一个教科书式的抉择。说起“猎鹰5号”，这是一款只存在于设计图上的猎鹰火箭，顾名思义，火箭一级布置了5台梅林发动机。

最早“猎鹰5号”曾经被选做“同温层发射系统”的“钦定”空射火箭，当然随着“猎鹰5号”的取消，这段“姻缘”也随之终止。在合作中止整整5年过后，该系统的专用双体载机于2017年5月末才推出机库，而此时的猎鹰9号火箭已经凭借成功的火箭回收和复用发射将世界商业发射市场搅得天翻地覆。如果当时SpaceX公司纠结于为研发空射专用的猎鹰5火箭，按专用载机现在的研发进度，或许SpaceX公司早就已经资金断裂关门大吉了。

▲ 无论这家空射载机多么巨大美丽，都难掩其尴尬的定位和拖沓的进度

▲ 2017年国际宇航大会上公布的BFS火星EDL仿真截图

▲ 二代龙飞船原设计中的着陆腿

不仅如此，SpaceX路线抉择的果断还体现在火箭回收的技术路线抉择上。在考虑回收火箭时，有鉴于航天飞机固体助推器的珠玉在前，伞降是一个想当然地回收思路。因此SpaceX公司早期曾在箭体上设置了降落伞，进行过回收测试，但尝试的结果显然不尽人意，于是公司果断改为垂直起飞垂直降落回收方案，终获成功。已有成功伞降回收的运载火箭几乎全都是基于固体运载火箭，这种火箭外壳采用高强度钢材，内部结构简单可靠，可以承受落海的冲击和海水腐蚀。但猎鹰9号火箭是一款由2195铝锂合金制成的液体运载火箭，采用共底储箱，采用了9台结构复杂（相对于固体火箭）的梅林液氧煤油火箭发动机。一方面是储箱难以承受落海时不可控的巨大冲击，另一方面就是发动机难以承受海水的浸泡和侵蚀。与固体火箭不同，液体运载火箭最具回收价值的就是液体火箭发动机，这也是联合发射联盟在其下一代火神运载火箭上只回收发动机的原因所在。我们这里无意否定伞降回收的可行性，只是阐述SpaceX公司在试错后及时做出了调转船头的抉择。这也是马斯克本人的魅力之一吧。