猎鹰9号才是SpaceX大获成功的秘密

2010年6月4日，一枚猎鹰9号测试火箭在卡纳维拉尔角空军基地40号发射台升空

2010年6月3日，夏季雷暴同往常一样从大西洋向内陆席卷而来，狂风在佛罗里达的航天海岸呼啸。天空忽然打开一道缺口，暴雨倾斜而下，卡纳维拉尔角部分地区的降水量达到了每小时3英寸（7.62厘米）。

太空探索技术公司（SpaceX）的发射团队一天前才搬到公司租用的新发射台，这场暴雨对刚刚诞生的猎鹰9号火箭来说绝对算不上什么好兆头。2010年春天，SpaceX在完成了一系列静态点火和加速测试后终于获得了卡纳维拉尔角空军基地的发射许可，发射时间最早为当年6月4日。

这次发射行动面临巨大风险。SpaceX在此前的4年中已经5次尝试从一座热带岛屿上发射“体型”小得多的猎鹰1号火箭，其中有3次失败。现在，这家初创公司获准进入美国最负盛名的航天发射基地，位于佛罗里达东海岸的卡纳维拉尔角空军基地。基地内到处都是价值连城的发射台和火箭设备。SpaceX如果在此地发射失败，损失的可不只是自己公司的名誉，还有许多国家的安全资产。

4座高耸的闪电塔在暴雨期间保护着火箭，以免后者遭受雷击，但暴雨后的检测显示，猎鹰9号火箭第二级的天线发出的遥感信号比较微弱，肯定是电子元件在暴雨中进水了。这是第二天发射行动的潜在威胁，必须修复。为此，发射行动指挥蒂姆·布扎（Tim Buzza）和SpaceX奠基人埃隆·马斯克（Elon Musk）以及航空电子设备高级主管布伦特·阿尔坦（Bulent Altan）一道驱车前往发射台。

他们抵达时天已经黑了，猎鹰9号火箭也已经放平，不再是原来准备发射时的垂直状态。

对航空电子设备了如指掌的阿尔坦通过梯子爬上了火箭第二级的天线。他打开一块区域的外壳，找到问题的部位，确认那天暴雨的雨水确实进入了火箭的电子元件。阿尔坦的头顶上有强光照下；头顶下则有几十双眼睛盯着他。

“我从没感受到过那么多关注的目光。”他说。

阿尔坦检查完火箭后回到地面上，很快就和马斯克、布扎以及其他一些工程师聚到一起。他们应该在发射台上就地更换电子元件吗？还是先把猎鹰9号送回公司机库，把发射计划推迟十几天？都不是。工程师决定试试技术含量比较低的方法：用吹风机把进水的电子元件吹干。就这样，阿尔坦带着吹风机又爬上梯子，然后前后挥舞着这件工具，直到天线及其电子元件看上去干了为止。

而马斯克等人则在地面上焦急等待。此时的SpaceX刚刚成立8年，两年前这家公司甚至面临倒闭，后来得到了美国宇航局（NASA）的资助才活下来，也才有了这次发射行动。如果猎鹰9号火箭在这次测试飞行中表现正常，那么SpaceX很快就会为NASA发送货物至国际空间站；但如果失败，已经有很多持怀疑态度的人做好口诛笔伐的准备了。

这些人既不信任马斯克，也不相信他的公司能够成功完成发射任务。马斯克及SpaceX看待航天项目的莽撞态度令他们很不悦。

而现实情况就是：现在，这群莽撞的人出现在了卡纳维拉尔角发射场上，在发射行动的前夜仍是无比莽撞，带着吹风机就上火箭修理受潮设备。

吹完设备后，阿尔坦合上火箭的电子元件舱门，并且在四周涂上了硅胶密封剂，以确保舱门在火箭升空时不会打开。接着，阿尔坦便在所有人的注视下爬回地面。他走下最后一级梯阶后，马斯克便走上前去问道：

“你觉得以现在火箭的状态，明天的发射活动能行吗？”

“应该没问题。”

听到这个回答后，马斯克没有马上说什么，只是以他常有的眼神凝视着阿尔坦。这眼神是如此犀利，好像是在追问：“这就是你的最后结论吗？”在这件事上，马斯克想知道阿尔坦给出的答复究竟是为了迎合老板的希望，还是表达自己内心的真实想法。几秒过后，马斯克一定从阿尔坦的眼神里看到自己想要的答案。

“好的。”他说。

而火箭确实没问题，实际上，要比“没问题”更好。第二天，虽然来自火箭第二级天线的遥感信号仍然没有预期的强烈，但马斯克还是表示他们无论如何也要让火箭升空。

当地时间2010年6月4日下午2:45，第一枚猎鹰9号火箭在佛罗里达海岸发射升空。

2010年6月4日，猎鹰9号火箭发射升空

SpaceX为这次发射试验设定的第一个目标很简单：避免损坏发射台及卡纳维拉尔角的其他值钱设备。第二个目标则是火箭抵达预定轨道。猎鹰9号顺利达成这两个目标并有所超越。火箭第二级入轨时的倾角为34.494°，只比35°的预定角度少了一点点，这对全新设计的火箭来说称得上是令人惊叹的精度。

于是，猎鹰9号的时代在10年前正式拉开帷幕。

夺回商业航天发射市场

在刚刚过去的这段日子里，SpaceX的龙飞船登上了各大媒体的头条。龙飞船也确实配得上这些赞美之词，因为，这是自9年前航天飞机正式退出历史舞台后，第一次有航天器载着人类从佛罗里达升空然后顺利返回地球。不过，真正为SpaceX在过去10年间的崛起立下汗马功劳的无疑是猎鹰9号火箭。

猎鹰9号火箭创下了多个第一的纪录，比如第一个实现了垂直着陆，第一个实现了回收再利用，入轨时携带了创纪录的9部第一级发动机。当然，这一连串记录代价不菲。猎鹰9号火箭10年前初次亮相时，SpaceX对单次满足基本要求的发射行动给出的成本是5 000万美元。2016年后，这个数字屡次上升，现在已经达到6 200万美元。这给卫星发射产业的竞争者造成巨大压力。

全球航天发射市场中大约有2/3的份额其实是不容许竞争的，因为它们动用的是本国的国家力量。例如，俄罗斯等拥有航天能力的国家通常会使用国产火箭发射军事卫星和科学卫星。全球航天发射市场中只有大约1/3的份额是真正开放竞争的，包括为没有航天发射项目的国家建设卫星网络、发射通信卫星和成像卫星及其他负载。

几十年前，美国航天发射公司开始专注于为美国军方发射各种载荷，因而退出了国际商业市场，毕竟这些来自军方的订单利润更加诱人。到了2006年，波音公司和洛克希德·马丁公司将它们的火箭发射业务合并到了一家公司（联合发射同盟）中。自此之后，美国实质上已经退出了竞争激烈的国际航天发射市场。美国国内外的客户均转投欧洲、俄罗斯等有能力入轨的航天发射实体。与此同时，由于NASA和美国国防部包办了所有发射任务，联合发射同盟的报价节节攀升。

猎鹰9号火箭的成功大大扭转了这种趋势。为了以更低成本将物资送入国际空间站，在2006年至2010年期间，NASA总计向SpaceX投资3.96亿美元，用于研发龙飞船、猎鹰9号火箭以及租用卡纳维拉尔角的发射台。这笔投资最终促成2010年6月4日在佛罗里达升空的猎鹰9号火箭，不但为NASA带来实际收益，也让整个国家受益。

NASA主管吉姆·布莱登斯汀（Jim Bridenstine）说：“正是因为有了NASA给SpaceX的这笔投资，我们现在，或者说美国现在才拥有了国际航天发射市场大约70%的份额；这个变化真的很大，因为2012年的时候，我们的市场份额其实是零。”

截断喷嘴

今年早些时候，我向马斯克打听了2010年6月深夜驱车前往发射台并且在最后时刻抢修猎鹰9号火箭电子元件的事。

“我觉得，在那样的情况下，你们第二天还发射了，而且结果还很完美，这实在是太疯狂了。”我说。

“我可干过比吹干无线电天线更疯狂的事。”马斯克回答说。

实际上，他们确实说了一些有关猎鹰9号第二次发射行动更疯狂的事。2010年12月初，SpaceX把第二枚猎鹰9号火箭放上发射台。这次行动的目标是检测龙飞船在飞行时以及重回地球大气时的性能。这次任务受到广泛关注，因为，为致敬巨蟒剧团的“奶酪商店”，SpaceX厚着脸皮把一盘Brouère 奶酪放到飞船里。

不过，真正戏剧性的情节还是来自猎鹰9号火箭的第二级。在体积更大的火箭第一级脱落后，这个火箭的上部负责把负载送入轨道。为第二级提供动力的是一部梅林真空发动机。这部发动机有一个加长喷嘴，为的是能在地球大气上方获得最大推力。发动机由一种相当坚固的材质C-103铌合金制成。

猎鹰9号第二次发射行动的准备工作原本开展得有条不紊，直到发射日期（12月8日）前几天的一次发射前照片检查。正是从这些照片中，SpaceX的发射团队意识到出现了一个重大问题：喷嘴下沿裂了一道口子。马斯克心想：“见鬼，到底要怎么做才能把这事搞定？”发动机喷嘴的下沿裂开大约1/3。发生的情况是这样的：发射前大约一个月，NASA要求SpaceX在火箭各级之间充入更多氮气。于是，技术人员在火箭底部打开了一条1英寸（2.54厘米）的缝，然后充入了氮气。这股气流导致梅林发动机喷嘴发生振动并最终破裂。

马斯克不愿意大幅推迟这次任务。这是龙飞船的第一次发射，他很明白这是SpaceX创造历史的机会。在此之前，还没有哪家私人公司能够把飞船送入轨道并且安全回收。于是，马斯克拿起了电话，打给了公司的王牌技术专家马尔蒂·安德森（Marty Anderson）。

“嘿，马尔蒂，你觉得你能爬到火箭级间，然后剪断喷嘴下沿的6英寸吗？”马斯克问道。

这可不是开玩笑——马斯克想让安德森带上金属剪子爬到火箭内部，然后剪断喷嘴下沿。这就是解决发动机喷嘴裂缝的方法。

安德森很勇敢地应承下来。几小时后，他搭乘马斯克的私人飞机从SpaceX位于加利福尼亚的工厂飞抵佛罗里达，然后钻进电梯并搭乘起重机来到火箭的两级间。此时的猎鹰9号火箭直立在发射台外侧。很快，安德森就剪下了发动机底部喷嘴的一部分。

缩短的发动机喷嘴会降低比推力，从而削弱猎鹰9号火箭上部的性能。然而，更大的隐患在于切口可能会破坏喷嘴的抗氧化涂层，这或许会在火箭点火后造成某种程度的侵蚀。“我们认为，只要侵蚀速度不是太快，问题就不大。”马斯克解释说。

然而，马斯克并没有最终决定权。事后，SpaceX必须在这个解决方案的可靠性上说服他们的客户NASA。如果这次行动成功，那么SpaceX就朝着为国际空间站运物资的目标前进了一大步。然而，如果龙飞船在完成关键的轨道测试之前就出现问题，那么这对NASA和SpaceX都是一个重大挫折。

长期担任SpaceX发射任务指挥的布扎表示，要想说服NASA可不容易。他和包括汉斯·科恩尼格斯曼（Hans Koenigsmann）和汤姆·穆勒（Tom Mueller）在内的公司副总裁向NASA主管商业货运飞船项目的领导，包括迈克·霍卡楚克（Mike Horkachuk ）和阿兰·林登莫耶尔（Alan Lindenmoyer），提交了他们的建议。

“他们没法深入了解我们的提议，而且事实上我们已经把喷嘴截断了。”布扎说。

然而，SpaceX的副总裁和NASA的工程师还是为解决问题奋战了大约24小时。分析结束后，他们把结果提交给NASA载人航天项目主管、有最终拍板权的比尔·格斯滕迈尔（Bill Gerstenmaier）。布扎说：“发射前一天的凌晨两点，马斯克打电话给我，说已经和格斯滕迈尔谈过话，后者给发射任务开了绿灯。”

第二天接近正午时分，猎鹰9号火箭发射升空。这次发射再次大获成功，被截断了喷嘴的火箭第二级也工作良好。3小时后，龙飞船载着它的奶酪安全返回地球。当天晚上，SpaceX团队大开庆功宴：他们现在拥有成功的火箭和成功的飞船。

“伟大纪录”

猎鹰9号火箭并非完美无缺。在2015年6月的第7次商业补给任务（CRS-7）中，猎鹰9号在入轨时发生故障，搭载的龙飞船满载准备送往国际空间站的物资化为灰烬。一年多之后，SpaceX在卡纳维拉尔角的一次静态点火测试期间又损失了一枚猎鹰9号火箭。

自此，猎鹰9号连续发射成功了50多次。在这个过程中，SpaceX的工程师一直在研究自己的火箭，不断寻找提升性能的方法。

最明显的，SpaceX证明了火箭第一级可以重复利用。实际上，就在CRS-7失败后的下一次任务中，SpaceX就首次回收了猎鹰9号火箭的第一级。第二年4月，他们的第一艘无人驾驶飞船稳稳着陆。再之后的2017年3月，SpaceX又首次利用之前回收的“二手”猎鹰9号火箭第一级完成发射任务。自此后的3年中，SpaceX又回收了50多枚火箭，完成了同一枚火箭使用5次以上的壮举。

技术分析公司布莱斯太空与技术的创办人卡里萨·克里斯滕森（Carissa Christensen）表示，垂直起降火箭的重复利用问题已经在航天圈里讨论了几十年。她说：“这项技术肯定能给人类航天事业带来变化，我们也对此充满期待，但一直没有实现，SpaceX实现了这项技术。”

而且，克里斯滕森表示，他们是主动研发这项技术的。在航空飞行中，通常是政府机构提供某些项目类型的订单，然后选择公司完成这个项目。虽然SpaceX的货运飞船和载人航天项目得到NASA的大量资金支持，但在重复利用技术的研发上没有拿到一分钱。克里斯滕森说，SpaceX动用自己的资金扫清了别人也梦想解决的“非常非常困难”的技术障碍。作为回报，SpaceX现在拥有了全世界唯一可重复利用的轨道火箭，并且拓展了主导商业卫星发射的能力。

克里斯滕森说，在过去的10年里，全世界的航天公司和国家都在奋力竞争。在美国，联合发射同盟退役了大力神火箭和三角洲火箭，转而研发更有竞争力的火神火箭。日本则出于降低成本的需要研制了H3火箭。俄罗斯也在逐步淘汰大名鼎鼎的质子火箭。阿丽亚娜太空公司正在淘汰久负盛名的阿丽亚娜5号火箭，转而研究成本更低的阿丽亚娜6号。克里斯滕森说，这些火箭是否可以赶上猎鹰9号还有待观察，毕竟SpaceX一直在前进。

SpaceX的火箭家族

克里斯滕森说：“很明显，航天产业已经开始向下一代发射工具发展，但SpaceX在这个领域领先了10年。这家公司10年前就发射了下一代运载火箭。”克里斯滕森惊奇发现，全世界的航天发射相比10年前发生了翻天覆地的变化。10年前，SpaceX还是一家初创公司；而现在，人们已经普遍把猎鹰9号火箭视为成熟且可靠的发射工具。

打造未来

在这个10年的前5年中，SpaceX的关注重点是提升发射率。发射次数越多意味着收入越多。在经历了成长期的阵痛后，他们成功了：2016年之前，他们平均每年的发射次数少于4次，最近这个数字已经提高到20左右。

尽管SpaceX在寻求大幅提升火箭性能，但发射频率上升的势头也没有停止。10年前首飞的初版猎鹰9号火箭完成5次发射任务后，SpaceX对它进行了三次重大升级。1.1版本的猎鹰9号于2013年问世，它的油箱更大并且增加了60%的推力。全推力版本的猎鹰9号在2015年闪亮登场，它采用了升级版梅林发动机且第二级更大。

担任蓝色起源太空公司总裁15年之久的罗布·梅尔森（Rob Meyerson）对1.1版猎鹰9号到全推力版猎鹰9号之间的进步惊叹不已。他说：“他们在18个月里就让猎鹰9号在地球同步转移轨道上的性能接近翻番，这绝对是惊人的成就。要知道，航天产业一向以配置控制和变化少为荣，SpaceX 内部发生的变化数量和对变化的管控是显著的。”

性能的提升最终促成了可重复利用的猎鹰9号。2018年5月，SpaceX推 出了猎鹰9号火箭的最终版本：Block 5。Block 5优化了可重复利用功能，也只有这个版本的火箭发射了2次以上。总的来说，猎鹰9号火箭在近地轨道的推力从2010年的10吨上升到了2018年的22.8吨。正是因为提升了这项性能，SpaceX才能为火箭受控着陆以及最终的重复利用留出额外的燃料。

现在，埃隆·马斯克把大部分精力放在下一代发射系统星际飞船的研发上。猎鹰9号已成为历史，对SpaceX来说，星际飞船才是未来。

然而，没有猎鹰9号就没有星际飞船。马斯克通过这枚火箭向NASA和全世界证明了SpaceX有能力制造世界级火箭。猎鹰9号就像一个实验室，通过它，我们不但能提升火箭性能，还能汲取更多有关可重复利用火箭的经验教训。如今，全世界都在快速追赶猎鹰9号，而马斯克已经在畅想他的低成本星际旅行。

资料来源 arstechnica.com