【原创文章】如何不回收第一级火箭 ——15年的SpaceX历程

老马说

“这不是爆炸,这是快速非计划解体。”

伴随着自由钟进行曲的伴奏,猎鹰9火箭一个接着一个花式爆炸,化作绚丽的烟火,如果不看到上传者为SpaceX的话,或许没人会想到这是SpaceX官方制作的。视频中首次公开了许多之前未见的猎鹰9爆炸和降落失败录像,自上传至今已有超过2百万的播放量,毫不夸张的说,这全长仅2分08秒的视频既是猎鹰9也是SpaceX血泪史的缩影,而更没人会想到马斯克所说的SpaceX失败合集会以如此充满自嘲的形式诞生。

2002年5月6日当一个名叫“太空探索技术公司”的企业在加利福尼亚埃尔塞贡多市的一座仓库里成立时,恐怕两位创始人马斯克和穆勒都不会想到15年后SpaceX会彻底改变商业航天发射市场格局。在美国人的语言习惯中,如果一项技术太复杂,常会以rocket science(火箭科技)来指代,因而当SpaceX作为私人航天公司宣称目标在于降低太空运输成本以让火星殖民成为可能时,绝大多数人都认为马斯克是在妄想。不过终归会有人愿意尝试新东西,SpaceX起步的第一个投资者便是以乱尝试投资新事物而出名的美国国防部国防高等研究计划署(DARPA)。

自带创业Buff的加州仓库,红箭头所指的这个看上去像忘记吃药的31岁青年人便是SpaceX创始人兼CEO马斯克

SpaceX一切的起源(猎鹰1运载火箭的“蓝”图)

在投资大约9百万美金并耗时4年研发后,SpaceX的第一款火箭猎鹰1在DARPA的资助下于2006年3月25日发射升空。此款仅21.3米高,直径1.7米的小火箭采用了SpaceX自行研发的梅林-1A引擎,目的在于向NASA展示SpaceX的火箭具备进入太空轨道的能力,以获得NASA的投资。其实早在1990年NASA便有计划赞助商业航天公司,随着2003年哥伦比亚号航天飞机的事故和随后预定的航天飞机退役,NASA迫切需要商业航天公司来担任美国对国际空间站的补给工作。2006年1月18日NASA“商业轨道运输服务”(COTS)项目正式成立,而在仅2个月后猎鹰1火箭便发射升空,意图非常明显。

由于对猎鹰-1安全性的担心,发射场设在了马绍尔群岛中的夸贾林环礁

载荷也是美国空军学院学生建造的FalconSAT-2等离子体观测卫星,发射失败了也无伤大雅

然而……猎鹰1火箭的前三次发射全部以失败告终,DARPA也在两次连续发射失败后撤资。出于对安全性的考虑,SpaceX不得不在原计划第四次发射马来西亚卫星RazakSAT卫星之前,先证明猎鹰1确实是火箭而不是大型烟花。而若这第四次发射也以失败告终,SpaceX将赶不上NASA的COTS计划提交截止日期,四次发射全部失败的纪录也不会被NASA青睐,那么恐怕距离关门大吉也不远了

改变SpaceX公司命运的一次发射

2008年9月29日是一个值得纪念的日子,这一天首个由私人投资,研发,设计并建造的火箭猎鹰1号成功发射入轨,SpaceX等待已久的转机终于来了。正是这次颇具意义的发射,让SpaceX在仅3个月后的12月23日赢得了NASA的12次对国际空间站的补给任务合同。NASA在SpaceX上也可谓豪赌了一把,为猎鹰9火箭,龙飞船和发射配套研发提供了2亿7千8百万的研发资金,并承诺在首次发射成功,验证火箭可行性后提供更多的研发资金。

商业轨道运输服务(COTS)项目

2010年12月8日,猎鹰9 v1.0火箭成功将龙飞船发射入轨,NASA又为SpaceX注入了1亿1千8百万的研发资金,SpaceX也很给力的在次年的10月8日成为第一家成功将飞船送往国际空间站的私营公司(CRS-1任务)。就连马斯克自己都在采访中数次表示,若不是NASA在私营航天企业上的“豪赌”,猎鹰9的研发不会这么快速顺利,开始测试回收能力的猎鹰9v1.1更会是遥遥无期。而后的故事便如视频中展示的那样,有了NASA的“官方认证”和相比较其他航天发射公司较低的报价,商业公司开始购买SpaceX的发射服务,第一个吃SpaceX这只“螃蟹”的公司中就包括了现在的老客户美国的Orbcomm通讯公司和卢森堡的SES卫星通讯公司。由于发射公司只管卫星有无入轨,因而每次发射都等于免费给SpaceX测试第一级回收的机会,这才有了视频中那一次又一次的花样爆炸。就像一个在学习走路的小孩一样,每一次摔倒都在逐渐积累经验,最终成就了2015年12月22日的陆地回收和2016年4月8日的海上回收。

NASA的后续资金在2010年末的Demo1后便到位,2012年Demo2后正式标志着猎鹰9可以“开张营业”了。

SpaceX近乎压倒性的近地轨道发射价格优势,这还是在美金因为汇率而有国际竞争劣势的前提下(此图报价略有争议,主页君注)

为何SpaceX的发射报价总能低于其他发射公司?很多的答案认为SpaceX通过回收第一级火箭来降低发射成本,其实这个回答并非完全正确。从卫星发射数量便能看出,早在2015年回收成功之前SpaceX的发射量便已在飞速增长,回收成功的2015年SpaceX占发射市场份额还略低于2014年。回收第一级毫无疑问会进一步降低发射成本,但这并非SpaceX打赢航天发射价格战的根本原因。在SpaceX公司的诸多第一中,很少有人注意到还有一项不明显的第一,那便是第一个完全没有任何外在承包商的航天发射公司。

世界商业航天发射市场份额比例,SpaceX为最下方的蓝色

各商业火箭卫星发射数量,阿丽亚娜-5火箭由于频繁一箭双星因此数量最多,小型立方星不纳入数量统计(主页君说:否则印度人肯定排第一了)

猎鹰9火箭除去发射的载荷外,箭体,整流罩,引擎以及火箭发射全部由SpaceX负责,整套研发制造发射流程中没有任何承包商,高度的垂直整合才是SpaceX打赢价格战的法宝。以阿丽亚娜-5和宇宙神-5为例,阿丽亚娜-5发射公司为阿丽亚娜太空公司,但箭体制造方为空中客车公司国防和太空部,核心级火神引擎则由斯奈克玛公司研发制造,而宇宙神-5的箭体制造和发射公司均为联合发射同盟(ULA),但核心级RD-180引擎购自动力机械科研生产联合体(NPO Energomash)和普惠公司组成的合资公司,上面级RL-10引擎和AJ-60A固体燃料推进器则购自普惠旗下的洛克达因公司。由于每一个外在承包商都是相对独立运转的公司,都需要利润来养活员工,因此产品售价都会一定程度上高于成本,而每一个承包商的加价都会最终汇总由客户买单。如果把其他航天发射公司比作零售商,SpaceX则是批发商,没有了承包商加价,发射价格自然会便宜许多。

宇宙神-5需要至少3个承包商合力建造

高度垂直整合的另一优势在于方便SpaceX研发以及管理,从猎鹰9v1.0在2010年首飞开始,具备回收能力的v.1.1在3年后便首飞成功,进一步增加推力和运载能力的FT版也在2015年年末首飞成功,仅5年内FT的不回收运载能力以超过v1.0的两倍并接近v1.1的两倍,在不大幅度改变箭体外形的情况下,快速的性能提升在火箭史上都极为罕见

从最左的猎鹰1到靠右的猎鹰9FT,总共用时仅7年

从v1.0到FT仅5年,性能便有了惊人的提升

另外SpaceX火箭发射和完善工作同时进行,因而第一级回收时获得的大量数据可以快速反馈给工程团队进一步完善猎鹰9,比如针对第一级在GTO返回时空气摩擦产生的高热量和高燃料消耗,研发中的猎鹰9Block 5将使用隔热层保护引擎和箭体,使用更耐热的钛合金栅栏翼,以及优化箭体飞行控制系统以优化第一级返回时的攻角,让箭体自身产生更多升力以降低燃料消耗。钛合金栅栏翼在今年6月25日发射回收时便以完成首次测试,而这距离SpaceX首次成功回收第一级箭体仅过去了18个月,很难以想象这是总雇员仅6000人的公司的办事效率。

有严重烧毁痕迹的铝锂合金栅栏翼

钛合金栅栏翼“肉眼可见”发射前(左)和回收后(右)的优势

回顾下SpaceX15年的公司历程,不难看出从诞生之初便根据最终殖民火星的目标,设立了完全符合逻辑的诸多阶段,因而虽一路艰难且需要频繁抱“大腿”,但最终总能确保达到所定的阶段目标。火星殖民需要降低发射成本,那么就需要一个高度整合的公司以及可回收第一级的火箭,但高度整合和火箭回收都需要大量资金投入以同时开发引擎(梅林-1),火箭箭体(猎鹰9)和回收测试(SpaceX自制爆炸视频),那么就需要抱住NASA的“大腿”让NASA愿意在SpaceX身上“豪赌”一把,但要说服NASA则必须要证明SpaceX有能力把物体送入近地轨道,那么就需要先发射一个采用部分技术的小号火箭,但小号火箭发射也需要投资,那么就让DARPA用航天测试资金投资,但DARPA投资要先有载具,那么就先研发出一款能发射升空的火箭。一环接一环,环环相扣,造就了今日的SpaceX

SpaceX的商业逻辑计划,蓝色部分随着猎鹰9开始商业发射已经完成

现在有了可回收的火箭和高度整合的公司,SpaceX开始着手火星殖民的下一个步骤(上图中橙色部分)。要殖民火星则先需要能把飞船送往火星的火箭,以及证明SpaceX能把人类安全送入太空并接回来,于是乎2011年重型猎鹰的概念首次诞生,并在2014年9月再次抱住了NASA的“大腿”,足足26亿美金来研发龙2载人飞船。若一切顺利,2017年11月SpaceX将会拥有现役运力最大的火箭,2018年6月SpaceX会成为第一个将宇航员送入太空的私营航天企业。恐怕SpaceX的每一个员工都清楚,这次从橙色到绿色的环环相扣,会有更大更多的挑战。

从上图到下图的这一步,SpaceX能在明年走完嘛?(下图中的陆地反推着陆已经取消)

如何不回收第一级火箭?SpaceX花费了15年给了我们一个满意的答案。只是当年那个31岁像忘记吃药的青年人,已经变成了46岁依然像忘记吃药的中年人了……

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