這項(xiàng)移民太空的關(guān)鍵技術(shù)，中美進(jìn)展如何？

文 | 李皙寅?翟芳雪，編輯 | 施智梁

只有讓火箭從一次性損耗品，變得可重復(fù)使用，這才能把向太空送人送物的成本顯著降下來(lái)

“火箭為啥看起來(lái)臟兮兮的，馬斯克這么缺錢嗎？就算不刷一遍油漆，也應(yīng)該洗一洗。”在一次“獵鷹9”火箭發(fā)射的視頻下，有網(wǎng)友如此評(píng)論。

在業(yè)內(nèi)看來(lái)，這些看上去臟臟的痕跡，恰如一塊塊軍功章，是此前一次次發(fā)射成功的有效例證。

現(xiàn)有的大多數(shù)火箭都是“一次性”的易耗品，這使得向太空中配送物資的成本極其高昂，難以滿足人類大規(guī)模進(jìn)入太空的需求，而運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用是降低發(fā)射成本的最重要手段。

以往的火箭一飛沖天后，逐漸會(huì)越飛越遠(yuǎn)，直至消失在視野里……12月10日，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，出現(xiàn)了不同于往日的一幕：火箭騰空而起后，水平移動(dòng)50米后，再穩(wěn)穩(wěn)地降落在目標(biāo)區(qū)域。

這是北京星際榮耀空間科技股份有限公司（下文簡(jiǎn)稱為“星際榮耀”）的雙曲線二號(hào)可重復(fù)使用液氧甲烷驗(yàn)證火箭，在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心開(kāi)展第二次飛行試驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)使用驗(yàn)證火箭的復(fù)用飛行，這為中國(guó)商業(yè)航天掌握可回收技術(shù)打下基礎(chǔ)。

打造能夠重復(fù)使用的火箭，是一場(chǎng)系統(tǒng)性的挑戰(zhàn)。星際榮耀液體型號(hào)總設(shè)計(jì)師季海波告訴出行一客（ID:carcaijing），不同于傳統(tǒng)一次性的火箭，為了保障可重復(fù)使用火箭能夠低成本、快速地實(shí)現(xiàn)復(fù)用，在火箭方案階段，就需要在火箭硬件、軟件設(shè)計(jì)上，做到充分的測(cè)試性和維護(hù)性設(shè)計(jì)，并規(guī)劃好能夠復(fù)用的一系列檢查、測(cè)試和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，建立一整套針對(duì)已回收火箭的檢測(cè)、評(píng)估和維保體系。

商業(yè)航天發(fā)展到了今天，業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵點(diǎn)已經(jīng)從能不能把火箭打上天，轉(zhuǎn)變成了如何降低入軌成本，保障足夠運(yùn)力，并具有足夠的飛行可靠度，本質(zhì)上是要比拼服務(wù)的階段。

目前商業(yè)航天發(fā)展的阻礙，恰恰就是高昂的發(fā)射成本。在鼎暉百孚合伙人劉尚告訴出行一客（ID:carcaijing），和所有的運(yùn)載工具一樣，火箭必須降本，降低讓衛(wèi)星上天的成本，進(jìn)而降低衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的成本，加快衛(wèi)星組網(wǎng)的速度，讓消費(fèi)者能夠更快更省地用上衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，最終讓整個(gè)商業(yè)航天的商業(yè)邏輯早日閉環(huán)并運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。

如何讓包括火箭在內(nèi)的各種航天器，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用，是國(guó)內(nèi)外商業(yè)航天追求最高投入產(chǎn)出比的必經(jīng)之路。當(dāng)“臟兮兮”的火箭越來(lái)越高頻地發(fā)射成功之時(shí)，如同大航海時(shí)代一般的星際移民時(shí)代，也將越來(lái)越近。

為啥一定要搞可回收技術(shù)？

此次飛行，星際榮耀成功解決了垂直回收的“最后一公里”任務(wù)中，復(fù)雜的氣動(dòng)力、熱干擾、高精度穩(wěn)定著陸等多項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題，中國(guó)商業(yè)航天在液體運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用技術(shù)能力上取得了重要突破。

在11月2日，雙曲線二號(hào)驗(yàn)證火箭，剛完成了首次垂直起降飛行試驗(yàn)，首飛完成后，星際榮耀在僅二十天的時(shí)間內(nèi)便完成了火箭的重復(fù)使用維護(hù)檢測(cè)工作，再次轉(zhuǎn)場(chǎng)執(zhí)行重復(fù)使用飛行任務(wù)。

在中國(guó)科技新聞學(xué)會(huì)太空文化傳播青少年工作委員會(huì)委員王君毅對(duì)出行一客（ID:carcaijing）看來(lái)，雙曲線二號(hào)可重復(fù)使用液氧甲烷驗(yàn)證火箭的成功發(fā)射的意義有三點(diǎn)：其一，火箭采用了真實(shí)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)二次試飛，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)的可重復(fù)使用能力；其二，進(jìn)一步驗(yàn)證了回收算法，特別是近地面調(diào)整算法；其三，在飛行試驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力深度、可調(diào)能力。

打造可重復(fù)使用火箭是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。比如，雙曲線二號(hào)火箭采用的焦點(diǎn)一號(hào)可重復(fù)使用深度變推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)（代號(hào)JD-1），能夠在檢測(cè)后實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)用飛行，主要得益于火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了液氧甲烷推進(jìn)劑。

根據(jù)使用推進(jìn)劑的不同，火箭通?？煞譃楣腆w火箭和液體火箭。相較于固體火箭，液體火箭具備比沖高、推力可調(diào)、可多次啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是可回收運(yùn)載火箭的更優(yōu)選擇。

季海波對(duì)此介紹稱，這說(shuō)明了液氧甲烷作為推進(jìn)劑具備低成本、簡(jiǎn)單維護(hù)、獲取方便的天然優(yōu)勢(shì)，是打造可重復(fù)使用火箭的可行路徑之一。

通過(guò)可回收技術(shù)，火箭單次發(fā)射衛(wèi)星的成本將大幅度降低。

傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)射后，火箭價(jià)值最高的一子級(jí)往往在大氣層內(nèi)燒毀，造成了巨大資源浪費(fèi)。有的燃燒不完全，還可能對(duì)地面造成安全隱患。相比之下，在完成任務(wù)后，可重復(fù)使用火箭能夠安全回收一子級(jí)，，經(jīng)過(guò)維修后再次發(fā)射，大大降低了發(fā)射成本。如果能夠再回收二級(jí)，那么可重復(fù)使用火箭的成本將進(jìn)一步得到降低。

作為商業(yè)火箭的代表SpaceX獵鷹9號(hào)，全新火箭成本在5000萬(wàn)美元左右，而回收后一級(jí)和整流罩后復(fù)用火箭的單次發(fā)射成本僅在1500萬(wàn)美元，僅為全箭的30%，如果未來(lái)實(shí)現(xiàn)液氧甲烷和二級(jí)可回收后，成本將會(huì)更低。馬斯克透露，未來(lái)的星艦每千克的運(yùn)輸成本可能低于200美元。

一旦可重復(fù)技術(shù)變得成熟，將給整個(gè)商業(yè)航天帶來(lái)關(guān)鍵性突破。維洲科技創(chuàng)始人、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)會(huì)員姚明華對(duì)出行一客（ID:carcaijing）解釋稱，此前，因?yàn)橐采w一次性火箭的成本，導(dǎo)致衛(wèi)星發(fā)射代價(jià)很高昂，一旦可重復(fù)火箭功能成熟，就可以按照單顆衛(wèi)星的重量來(lái)“按斤計(jì)價(jià)”，有助于衛(wèi)星公司按照下游客戶的需求，定制開(kāi)發(fā)；以后，像近地軌道遙感衛(wèi)星的發(fā)射，可能會(huì)像乘出租車一樣方便快捷。

量變還將產(chǎn)生質(zhì)變，這將極大地?cái)U(kuò)容整個(gè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈，從航天材料到航天電子產(chǎn)品引發(fā)全面變革，從上游研制、發(fā)射，到下游運(yùn)營(yíng)、應(yīng)用，幾乎每一個(gè)環(huán)節(jié)都能創(chuàng)造千億級(jí)別的市場(chǎng)。

探路者馬斯克

如果要講可回收火箭，就勢(shì)必要提到馬斯克創(chuàng)辦的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）。作為可回收火箭領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，SpaceX創(chuàng)造了許多先例，其中最主要的是三個(gè)“首先”。

SpaceX是首家成功回收載人飛船的公司。他們于2010年12月8日成功將Dragon貨運(yùn)飛船送達(dá)國(guó)際空間站，并在返回地球時(shí)成功收回。這一成就標(biāo)志著私營(yíng)公司在可回收載人飛船領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

2015年，SpaceX發(fā)射的“獵鷹9”火箭在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角成功實(shí)現(xiàn)第一級(jí)火箭的軟著陸，從而開(kāi)創(chuàng)了火箭從太空直接垂直回收的歷史，SpaceX成為首家成功回收火箭的私營(yíng)航天公司。

據(jù)SpaceX官網(wǎng)介紹，“獵鷹9”是一款可重復(fù)使用的兩級(jí)火箭，也是世界上第一個(gè)軌道級(jí)可重復(fù)使用火箭，由SpaceX設(shè)計(jì)和制造，能夠可靠、安全地將人員和有效載荷運(yùn)送到地球軌道及更遠(yuǎn)的地方。

SpaceX還是首家成功將火箭回收到海上平臺(tái)的公司。他們于2016年4月8日成功將“獵鷹9”火箭的第一級(jí)降落在無(wú)人船上。這一技術(shù)突破使得SpaceX能夠在更廣闊的海域上進(jìn)行回收，降低了由于回收帶來(lái)的運(yùn)載能力損失，并提高了火箭回收的靈活性。

截至目前，SpaceX官網(wǎng)顯示，“獵鷹9”共發(fā)射280次，著陸238次，重復(fù)飛行次數(shù)213次。

與大眾直覺(jué)相反，由于火箭回收后可以對(duì)其進(jìn)行飛行后的全面檢測(cè)，找到火箭上存在的薄弱環(huán)節(jié)，并有針對(duì)性對(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)、優(yōu)化和維護(hù)，使其能夠更好地適應(yīng)飛行環(huán)境，因此，火箭的可靠性反而可能更高，季海波如是稱。如SpaceX的“獵鷹9”火箭，目前已經(jīng)成為了世界上最可靠的火箭之一，這其中，火箭回收后的檢測(cè)和有針對(duì)性的改進(jìn)就起到了重要作用。

另外，除了“獵鷹9”，SpaceX還研發(fā)了人類史上最大的全重復(fù)使用運(yùn)載火箭“星艦”。?它是目前人類研制時(shí)間最短、體積最大、動(dòng)力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭。只是從今年11月18日的二次試飛失敗的結(jié)果來(lái)看，“星艦”的技術(shù)還需要進(jìn)一步打磨。

商業(yè)航天企業(yè)中人，對(duì)于SpaceX的發(fā)展經(jīng)歷如數(shù)家珍，在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)，他們普遍感慨馬斯克的敢想敢干，以及NASA長(zhǎng)期以來(lái)通過(guò)訂單持續(xù)“投喂”，讓SpaceX走出了早期技術(shù)驗(yàn)證的荒漠階段；同時(shí)也羨慕于SpaceX所處的資本市場(chǎng)對(duì)于前瞻科技受挫失敗的較高容忍度。

中國(guó)民營(yíng)商業(yè)火箭公司已經(jīng)走過(guò)了九個(gè)年頭。到目前為止，已經(jīng)有五家企業(yè)實(shí)現(xiàn)了入軌發(fā)射。

這與中國(guó)對(duì)商業(yè)航天企業(yè)更大的扶持力度有關(guān)。2014 年，中央下發(fā) 60 號(hào)文件《國(guó)務(wù)院關(guān)于創(chuàng)新重點(diǎn)領(lǐng)域投融資機(jī)制鼓勵(lì)社會(huì)投資的指導(dǎo)意見(jiàn)》，允許對(duì)有興趣加入航天業(yè)的公司進(jìn)行大規(guī)模的私人投資。

對(duì)于中國(guó)的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，馬斯克和“獵鷹9”最大的好處在于，借助前者這樣的領(lǐng)頭羊，更清晰地向外界展現(xiàn)了商業(yè)航天的運(yùn)行邏輯，從而讓中國(guó)商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)獲得更好的成長(zhǎng)環(huán)境。

稍早前，據(jù)外媒披露，以燒錢推進(jìn)技術(shù)突破而聞名的火箭公司SpaceX，在今年初已經(jīng)扭虧為盈。根據(jù)內(nèi)部文件顯示，SpaceX在今年第一季度實(shí)現(xiàn)了15億美元的營(yíng)收，并獲得了5500萬(wàn)美元的凈利潤(rùn)。這家公司在過(guò)去兩年里快速增長(zhǎng)的營(yíng)收是實(shí)現(xiàn)盈利的關(guān)鍵。2021年和2022年，公司的總費(fèi)用分別為33億美元和52億美元。

馬斯克認(rèn)為探索太空對(duì)于人類的未來(lái)至關(guān)重要。他指出，地球上的資源有限，而人類面臨著人口增長(zhǎng)、資源短缺和環(huán)境問(wèn)題等挑戰(zhàn)。只有通過(guò)探索太空，尋找新的資源和居住地，才能夠解決這些問(wèn)題。

網(wǎng)上有人傳言馬斯克此前公布了SpaceX的部分相關(guān)專利，令人遺憾的是，由于諸多原因，航天技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)的共同分享，更不用提跨國(guó)別地應(yīng)用了，網(wǎng)上確實(shí)也查詢不到相關(guān)專利內(nèi)容。

季海波對(duì)出行一客（ID:carcaijing）直言，查不到馬斯克關(guān)于他火箭回收這方面的任何公開(kāi)資料，只能看外觀，看到大致的構(gòu)型，但內(nèi)部細(xì)節(jié)是咱們看不到的，這塊全都是靠中國(guó)航天技術(shù)人員自己來(lái)摸索，自己一次次探索出來(lái)的。從技術(shù)到產(chǎn)品都是公司自主研發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)要掌握在自己手上，而關(guān)鍵技術(shù)我們要去突破，有坎我們要去闖。

最終目標(biāo)，移民太空

當(dāng)人類把浩瀚的藍(lán)星比作“地球村”時(shí)，征服太空的野心就昭然若揭了。

人類在星辰之路上步履不停，1957年首顆人造地球衛(wèi)星升空以來(lái)，人類不但已經(jīng)登上了月球，還將探測(cè)器送入了火星。

科學(xué)家們提出了很多建立太空城的幻想。美國(guó)科學(xué)家擬建的太空城，一種設(shè)計(jì)方案是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓筒，可容納大約1萬(wàn)名居民。另一種設(shè)計(jì)方案是輪狀的、供中心旋轉(zhuǎn)的太空城，明亮且溫暖如春。

馬斯克曾經(jīng)公開(kāi)表示，他的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是把人類從地球移居到其他星球，并保證這一過(guò)程足夠安全、價(jià)格低廉。馬斯克說(shuō)：“如果我們把每個(gè)人移居火星的成本控制在200萬(wàn)美元左右，就可以開(kāi)創(chuàng)一個(gè)大市場(chǎng)?！?/p>

為什么他們?nèi)绱藷嶂蕴找泼?？地球資源匱乏是最重要的原因。2017年5月，史蒂芬·霍金曾發(fā)表“世界末日”預(yù)言，警告人類必須在100年內(nèi)離開(kāi)地球。

霍金解釋稱，由于地球正受到氣候變化威脅，自然資源也在迅速減少，將來(lái)人類進(jìn)行太空旅行是不可避免的。他表示：“我們正在耗盡空間，唯一的方法就是前往其他世界?！?/p>

另外，太空中有大量的未開(kāi)發(fā)資源，包括稀有金屬和太陽(yáng)能?！禢ature》上有文章解釋，小行星上的金屬資源可能比地球上的所有已知儲(chǔ)備還要多。此外，太空太陽(yáng)能電站可以在沒(méi)有大氣干擾的情況下收集太陽(yáng)能，提供持續(xù)、可靠的電力。

從技術(shù)上來(lái)看，目前僅能實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)的小重量物質(zhì)的回收，如果希望實(shí)現(xiàn)太空資源采集，則不但需要回收一級(jí)助推器，還要能夠回收返回艙，實(shí)現(xiàn)成熟的異星發(fā)射技術(shù)。

太空移民可以為科學(xué)家提供一個(gè)獨(dú)特的環(huán)境來(lái)進(jìn)行研究。NASA認(rèn)為，微重力環(huán)境可以幫助科學(xué)家更好地理解物理學(xué)和生物學(xué)的基本原理。

不僅如此，太空移民也可以幫助人類更好地理解地球的形成和演化，以及生命的起源。例如NASA的太空探索計(jì)劃，通過(guò)在太空中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察，幫助人類更好地理解宇宙。

從商業(yè)和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)，太空移民可以創(chuàng)造大量的機(jī)會(huì)。太空探索和開(kāi)發(fā)能夠促進(jìn)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動(dòng)就業(yè)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

據(jù)美國(guó)太空行業(yè)組織——太空基金會(huì)發(fā)布報(bào)告稱，全球太空經(jīng)濟(jì)在2022年增長(zhǎng)了8%，達(dá)到5460億美元，預(yù)計(jì)未來(lái)五年將再增長(zhǎng)41%。另?yè)?jù)歐洲咨詢公司發(fā)布的《太空經(jīng)濟(jì)報(bào)告2022》顯示，2022年全球太空經(jīng)濟(jì)總額達(dá)4640億美元，較上一年度增長(zhǎng)8%。

然而，移民太空目前還只是人類寄托希望的風(fēng)向標(biāo)?！禨cience》指出，太空移民面臨著許多挑戰(zhàn)，包括技術(shù)難題、經(jīng)濟(jì)成本、生物適應(yīng)性問(wèn)題和倫理問(wèn)題等。

可重復(fù)使用技術(shù)，是人類大舉向太空的必要技術(shù)，不止是火箭，也同樣適用于飛船，而可回收飛船是實(shí)現(xiàn)太空移民的必要環(huán)節(jié)。

一方面是節(jié)約成本，傳統(tǒng)的一次性飛船在每次任務(wù)完成后都會(huì)被丟棄，而可回收飛船可以在完成任務(wù)后返回地球，經(jīng)過(guò)檢查和維修后再次使用。SpaceX的CEO埃隆·馬斯克曾經(jīng)表示，可回收火箭的使用可以將太空旅行的成本降低100倍。

另一方面，太空移民不能畢其功于一役，需要飛船頻繁往返。如果每次發(fā)射都需要建造新的飛船，那么發(fā)射的頻率將受到嚴(yán)重限制，而可回收飛船可以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好再次發(fā)射，這對(duì)于太空移民來(lái)說(shuō)尤其重要，因?yàn)樾枰诙虝r(shí)間內(nèi)將大量的人和物資送到太空。

馬斯克在采訪中提到，SpaceX的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)火箭的快速可重復(fù)使用，以便能夠更頻繁地發(fā)射火箭。

此外，一次性飛船在使用后會(huì)成為太空垃圾，對(duì)環(huán)境和航天安全造成影響。有公開(kāi)報(bào)道稱，仍有超過(guò)4500噸重的垃圾留在繞地軌道上，而可回收飛船可以減少太空垃圾的產(chǎn)生，更加環(huán)保。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平在接受采訪時(shí)表示，中國(guó)的載人航天工程也在研究可回收技術(shù)，以降低成本和提高效率。

無(wú)獨(dú)有偶，12月14日，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，一型可重復(fù)使用的試驗(yàn)航天器，借助長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭，成功發(fā)射。據(jù)新華社報(bào)道稱，該試驗(yàn)航天器將在軌運(yùn)行一段時(shí)間后，返回國(guó)內(nèi)預(yù)定著陸場(chǎng)，其間將按計(jì)劃開(kāi)展可重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證及空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為和平利用太空提供技術(shù)支撐。

錯(cuò)過(guò)“大航海時(shí)代”的中國(guó)人，決不能再錯(cuò)過(guò)即將到來(lái)的“大航天時(shí)代”了，正如中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊所說(shuō)，這是一場(chǎng)真正走向星辰大海的史詩(shī)征途。