相逢在宇宙——从Spacex公司的兴起看世界航天格局演变(四)

相逢在宇宙——从Spacex公司的兴起看世界航天格局演变（四）
作者：暂无
来源：《坦克装甲车辆》 2018年第12期
影舞者
马斯克于2002年创立了SpaceX公司后就是各种挖人组建团队，走上自己造火箭射卫星的道路。

很显然，我们会注意到的一点是，在其它领域，比如说IT业或者娱乐业进行创业，1亿美元的投入确实算不少了，但是在航天领域尤其是火箭发射领域，这点钱也就是能听个响。

国际主流火箭哪怕是以便宜著称的俄国“联盟”火箭或中国的“长征”火箭，1亿美元也就勉强能打个2发，更不要说马斯克从挖人、建厂到自主研发都是从零开始，因此即使公司创立后又拉来了一些投资，公司的资金也依旧是相当紧张的。

而即使马斯克挖其它公司墙角弄到了一些顶尖人才，其在航天技术上也是缺乏积累的，比如他挖到了TRW公司的穆勒，但穆勒带来的只是自己个人的专业知识和经验，其在TRW公司内领导开发火箭发动机的技术资料和专利是没法带来的。

换句话说，在最讲究技术底蕴的航天领域，马斯克的SpaceX公司更像是一张白纸，需要以有限的颜料在上面从头开始画一张好画。

现在的我们回过头来会惊叹于SpaceX公司在短短十几年时间里取得的惊人成就，细细分析下来就不得不佩服马斯克几乎在所有的重大技术决策上都做对了，可以说SpaceX公司的成功是顶层技术路线设计成功的典范。

这里我们就以事后诸葛亮的精神做一次盘点。

直接以液体火箭进入地球轨道
首先，SpaceX公司从一开始选择的发展路线就是开发一款液氧煤油火箭并直接将载荷送入地球轨道——SpaceX公司在仅仅成立4年后的2006年就已经着手在夸贾林的发射场发射自己的第一枚液体火箭“猎鹰”1了。

我们都知道中国自从2015年后也涌现了一批航天初创企业，如零壹、蓝箭、星际荣耀等，它们无一例外都选择以固体火箭作为起步，并都将首款火箭的发射设定为亚轨道。

这背后的逻辑也是很清晰的，就是先易后难，先有个火箭上天来吸引投资，其它事情再徐图之。

显然小型民用固体火箭的技术门槛较低，不管是从体制内的企业采购还是自己研发，弄出一款不以入轨为目的的固体火箭还是相对容易的。

但是这种路线的问题也很明显，放眼世界，各国主力运载火箭基本都是液体多级火箭（或者部分级段和助推火箭为固体），因为液体火箭中哪怕是性能不追求极致的液氧煤油发动机也比固体火箭发动机的比冲高的多，而且固体火箭发动机一旦点燃就无法再关闭，因此多次点火能力和节流能力想都不要想。

因此固体火箭想入轨往往需要更多级火箭，以燃烧一段扔一段的模式不断抛弃体重才能实现，于是出现3级不算多，4级也正常，而且有时候还需要一个液体火箭的上面级来保证最后入轨和变轨的能力，而这么多级火箭的不断脱离又会影响到火箭整体的复杂性、可靠性以及成本问题。

另外固体火箭发动机在起步阶段研发和制造成本低，但是当需要大推力火箭来发射更重的载荷时，固体火箭发动机的技术难度和成本就会迅速增加。

而如果到那个时候再转向发展液体火箭，几乎相当于从头再来。

因为从固体火箭到液体火箭几乎没有多少技术是共通的。

正是因为上述原因，近几年只有兴起的追求快速发射小卫星的火箭采用了固体火箭模式。

因为这类火箭的目标是提高卫星快速发射补网能力，固体小火箭可以平时存储，到需要时拉出
来快速整备发射而不需要低温燃料的现场加注等技术环节。

显然这种火箭具有较为明显的军用
潜质，和民用火箭发射追求的有所不同。

所以同样是追求小卫星发射的Rocket lab公司第一款火箭也是液氧煤油发动机（只不过其燃料泵以电驱动而被称为电火箭）。

另外还要注意火箭入轨和不入轨的难度是有巨大差别的，就以现在很多民营火箭制造商追
求越过卡门线为例，一款亚轨道火箭在爬升超过100千米的卡门线后哪怕速度立刻降低到零，
也可以说进入了太空，而一枚入轨火箭此时不但不能速度减到零，反而需要以超过10马赫速度继续加速，直到到达180千米以上的高度同时速度加速到第一宇宙速度（7.8千米/秒），载荷
才能算是进入了近地轨道。

更不要说那些更高的轨道了。

所以尽管贝索斯的蓝色起源公司开发的“新谢泼德”火箭率先实现了垂直降落，但人们依
旧更推崇马斯克的“猎鹰”9火箭的垂直回收，根本原因就在于两款火箭的技术有着本质区别。

顺便说一下，贝索斯的蓝色起源公司于2000年成立，在他这个大金主的支持下，已经18年过
去了，但还是没有将物体送入过地球轨道，虽然这和其公司成立后的发展方向有关系，但也可
以看出用运载火箭发射载荷进入轨道的不易，世界上能实现这种技术要求的国家都屈指可数，
美苏是在20世纪50年代实现的，法国是1965年，中国和日本在1970年，印度在1980年，再往后就是2002年的以色列和2009年的伊朗（比SpaceX公司还要晚了一年）。

而像巴西这种大国搞自己的航天也有几十年了，至今依旧在亚轨道打转，从没能进入轨道。

液氧煤油发动机的选择
确认了一步到位发展液体火箭后，摆在面前的选项就很好做决策了，很显然太高大上的液
氢液氧发动机以及偏二甲肼类的毒燃料发动机可以排除，剩下的只有液氧煤油以及液氧甲烷两种，而世界各国对液氧甲烷都没有进行太深入研究，人才和技术积累无法与液氧煤油相比，以
稳妥的角度考虑显然不难选择。

而在火箭发动机的循环模式上，高压补燃的技术难度和成本都
偏高，不适合初创企业染指，但要注意的是，即使选定了燃气发生器模式的液氧煤油发动机，
摆在眼前的技术路线依旧多不胜数。

而SpaceX公司的第一款梅林发动机就是以穆勒自己捣腾的一款发动机为基础，这款发动机体现了SpaceX公司的公司文化。

梅林发动机的特点之一就是采用了针栓式喷注器，这款喷注器的优势就是节流能力较好，
显然SpaceX公司选择这种喷注器是体现了长远的考虑。

马斯克在很早起就将航天大发展必须突破的瓶颈锁定在了火箭发射成本上。

正如他所说的：如果人们乘坐波音客机也是坐一次后就把
飞机扔掉，那么机票价格也会贵的无法承受。

而降低火箭发射成本的最根本方式就是实现火箭
的重复使用。

于是问题就来了，火箭想要重复利用，首先要能飞回来，而起飞阶段和降落阶段
对于火箭发动机的要求是有很大不同的。

我们以“宇宙”5火箭为例，其火箭第一级装有一台RD-180高压补燃液氧煤油发动机，推
力超过420吨，发射时加几个小助推火箭，超过火箭总重来实现起飞和加速，在上升过程中燃
料逐渐消耗，当固体火箭助推火箭燃尽抛弃后，那台RD-180火箭的推力已经超过了火箭一、二级以及载荷的总质量，可以继续加速。

但是当一、二级脱离后，只留下少量燃料的火箭第一级
就只有几十吨重，此时480吨推力的发动机相对于火箭第一级这个空壳的重量就太大了，减速
太剧烈，而到了近地面更是会让火箭第一级无法落下来。

除非这个火箭发动机的节流能力达到10%或更低，而世界上现有的液体燃料发动机的节流能力都不可能做到。

因此SpaceX公司为自己的梅林发动机选择针栓式喷注器就不难理解了，这是要为未来的火箭可复用做准备。

当然，仅仅靠提高发动机的节流能力是不够的，SpaceX公司在火箭模式上的
选择也体现了其技术洞察力：“猎鹰”9火箭没有采用助推器捆绑模式，因为这种模式虽然表
面上可以提高火箭发射的灵活性（通过增减助推器来改变火箭的运力），但会导致回收变得复杂，并减弱回收的成本意义：到底是只回收芯级还是连助推火箭一起回收了？只回收芯级的话，
其成本在火箭总体中的比例必然比光杆火箭要低。

而都回收的话又必然增加复杂性，当然还有
一个原因：这样可能需要再多开发一款发动机或者助推火箭。

这里说句题外话，因为梅林发动机选择了针栓式喷注器，而几十年前“阿波罗”登月飞船
下降段的发动机也是使用了针栓式喷注器，巧的是开发这款发动机的正好是TRW公司研制，而
我们知道后来穆勒就是在这家公司供职。

于是有些人就以这条弯弯绕的关系将梅林发动机说成
是NASA的技术，这就只能当作一个笑话了。

9+1的哲学
在确认了不用助推器的光杆构型后，“猎鹰”火箭选择了9发并联模式，这并不是一个随
机的选择，而是在数学和物理上都经得起推敲和计算的模式。

首先如前所述，火箭回收时，第一级的箭体、发动机以及预留燃料的重量已经下降到全箭
发射质量的十几分之一或更低，第一级装有9台发动机后，如果让发动机的推力偏大一些，保
持推力的冗余，在发射阶段可以视情况选择节流以控制加速度，这样在返回时就可以在初始段
打开3台发动机初步减速，在接近地面的最后阶段只开一台，加之其节流能力比较好，那么落
地前的推力就可以恰好稍大于接近燃空的火箭第一级的重量，实现平稳落地。

其次，9台发动机的排布方式是中心一台，周围8台，每两台中心对称，这样当其中一台
故障时（只要不是那种足以导致全箭爆炸的故障），就可以立即由控制系统决策关闭其对称位
置的那台发动机，保持推力的平衡，而以延长其它发动机工作时间的方式确保将载荷送入轨道。

这种事情在历史上已经发生过一次，那就是2012年为NASA执行的国际空间站补给任务，当时“猎鹰”9火箭第一级的一台发动机爆掉，但火箭通过对剩余发动机的推力调节依旧完成了任务，将“龙”货运飞船送入轨道和国际空间站对接。

很多人因为苏联N1火箭的缘故，都将火箭发动机的数量正比于其失败率，认为发动机越多发生爆炸的可能性就越高，这是一个很大的误解。

事实上我们如果盘点近几十年的火箭发射事故，会发现极少出现因为发动机爆炸导致发射
任务失败的事例，反倒是类似火箭姿态控制系统故障、火箭第一级与第二级的分离、火箭与载
荷适配器的分离等原因更容易出现导致发射失败的情况。

而发动机出故障时，如果不是引起整
个火箭的火灾和爆炸，那么其主要的危害就是推力损失，如中国“长征”5号火箭的发射失利
就是两台芯级主发动机中的一台因为燃料泄露，导致推力无法维持加速而最终坠落。

因此以9
台发动机实现较大的推力冗余，无疑是克服这类故障的技术模式之一。

此外，一般火箭上面级和载荷的总质量大致是超过火箭总质量的十分之一但不会到五分之一，用9台梅林发动机恰好对整个火箭形成一定推力冗余，用一台来作为上面级发动机，这种
9+1模式后来也被Rocket lab公司模仿，可见是一种符合规律的模式化。

当然，梅林发动机是液氧煤油发动机，而且是燃气发生器循环，这种模式在比冲上是吃点
亏的。

但是这里再一次体现出了9+1模式的优势：因为火箭上面级只用一台发动机，那么其喷
管就可以独占整个级间段的空间，因此就可以使用一个拥有极大膨胀比的喷管来提升其比冲。

于是我们看到梅林发动机的真空版以燃气发生器循环的液氧煤油机竟然实现了348的真空比冲。

这种整体设计带来的好处是显而易见的，首先像“猎鹰”9这种吨位的火箭，其第一级所
用的发动机都不会太多，如“宇宙神”5火箭是一台RD-180发动机，“德尔塔”4火箭则是一
台RS-68液氢液氧发动机，中国“长征”5是两台YF-100液氢液氧发动机等，如果芯级推力不
够了就以助推火箭来弥补，因此主发动机的数量总是相对少的。

而我们知道，工业品的成本是
随着批量增大而降低的，以前，火箭以及火箭发动机一直在恶性循环里兜圈子：因为发射成本
高昂而发射数量稀少，数量稀少使得任何一个技术进步都无法通过数量摊薄，从而成本继续高昂。

SpaceX公司通过“猎鹰”9模式，一枚火箭的第一级就要使用9台梅林发动机，而第一级
的发动机和上面级发动机是衍生型，进一步降低了复杂度，提高了产量，降低了成本。

试想如
果其上面级不是真空版梅林发动机，而是一台单独研制的液氢液氧发动机，成本肯定比现在的
这款要高昂很多。

此外还有一个隐藏的优势：因为所有推力来源于同一款液氧煤油发动机，因此只要这款发
动机的推力提高一点，推重比优化一点，就会带来整个火箭性能的明显增强，这种扩展性也是
长周期内降低成本的一个重要路径。

相比之下，其它大部分火箭就不是这样了，比如某款火箭
用的第一级芯级是液氧煤油发动机，助推器是固体火箭，上面级是又一款液氢液氧发动机，那
么单纯提升了其中某一款发动机的性能，所带来的效果增强肯定不如“猎鹰”9火箭这样全部
一起升级。

保守与激进的平衡
前面我们大致分析了“猎鹰”9火箭总体构型的哲学，很显然这仍然不足以解释“猎鹰”9
火箭的全部精髓。

梅林发动机虽然是燃气发生器循环，在比冲上无法超越高压补燃循环的RD-180等发动机，但是其通过快速的技术迭代，迅速将“猎鹰”9发动机的推重比做到了登峰造极的地步，我们知道以前世界上煤油发动机推重比的桂冠是由苏联的NK-33所保持，大约是140
左右，而且这是注水的算法，真正按照严格标准计算也就是100出头，其它液体火箭发动机普
遍在100以下，而梅林发动机最新款已经超过了180，遥遥领先。

虽然火箭发动机推重比对于
火箭性能的影响不太大，但是对于可回收火箭就不同了，当火箭第一级开始返回发射场或者回
收船时，燃料大部分已经烧完，此时9台发动机的重量在其中的比重就相当明显了，推重比大
大提高后，返回的第一级重量就可以大大减轻，相应地需预留的燃料也就可以大大减少，而这
又必然会提高火箭在执行回收第一级任务时的运力。

SpaceX在技术上更激进的地方还有很多，影响比较大的一个是其火箭箭体采用了铝锂合金
和共底储箱等设计，从而大大提高干质比，所谓干质比，就是火箭的全重和空重的比值，这个
比值越高，说明火箭的箭体、储箱和发动机等越轻，整个火箭装满燃料后主要就是燃料的重量，这样的火箭显然会飞的更久更高。

而“猎鹰”9火箭现在的干质比超过30，是世界现役火箭里
最高的一款。

正是因为SpaceX公司在技术路线上的精准选择，以及在关键技术上对保守与激进的把握，我们才会发现，“猎鹰”9火箭只使用了一款燃气发生器循环的液氧煤油发动机，没有用助推
火箭，也没有使用高性能的液氢液氧上面级，仅仅以光杆的两级火箭，就实现了从近地轨道到
地球同步轨道发射任务的全覆盖，这是相当了不起的技术成就。

此外，SpaceX公司在火箭电子元器件上也引入了互联网思维，不纠结于单个元器件的绝对
可靠性，而是以系统思维模式来确保整体的稳定和可靠，比如过去火箭电子系统上的元器件都
要确保在宇宙射线的轰击下绝对不出错，而SpaceX则广泛推行采购商业货架产品，通过增加不同器件间的冗余计算和矫正，以概率计算来解决这个问题，从而实现整个火箭的高可靠性。

一
开始人们可能对他们的这套逻辑将信将疑，但是经过迄今为止50多次的发射，其成功率已经超过96%，属于世界上成功率最高的火箭之一，足以打消人们的疑虑。

不过也有一些地方至今还有争议，一个是梅林发动机涡轮叶片上的细微裂纹，按照SpaceX
的意见是这些裂纹并不会影响整个火箭的可靠性，但NASA则一直不同意，要求SpaceX必须确
保火箭发动机的涡轮不带裂纹，据说最新的“猎鹰”8BLOCK5型火箭已经解决了这个问题，不
过这并不能说明双方谁的意见更正确，毕竟已经发射的50多枚“猎鹰”9火箭和消耗的500多
台梅林发动机并没有因为这些裂纹出过什么问题。

但毕竟SpaceX公司要用“猎鹰”9B5火箭为
NASA发射“龙”载人飞船，从顾客就是上帝的观点看，按照客户的意见修改这个技术细节也不是不合理。

还有一个问题仍然处在争议中，那就是“猎鹰”9火箭的燃料低温加注：煤油如果在极低温下密度会增大，这样就可以让火箭多装一些燃料，但是NASA一样认为这其中存在隐患。

2016年的那次事故就是因此而发生的，虽然后来SpaceX修改了火箭内部的设计，杜绝了同类事故的再次发生，但还是让很多人心中稍微有些不安。

其实上述所有这些问题都说明了一个问题，就是马斯克的SpaceX公司在技术上是有着清晰思路和强烈自信的，他们会从高端进行科学的整体规划，一旦确定后就坚定不移地走下去，由于这些服务于总体构思下的技术选择有些是相当困难的，因此一开始往往遭遇各种挫折，但是一旦走通就会立即展示出智慧的光辉并开拓出更加宽广的大路。

这个问题在马斯克选择实现火箭复用的技术路线时，得到了更加完全的体现。

（未完待续）。