火箭复用的颠覆式创新，SpaceX如何做到的？

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上图：林氏集团林建中主席与英国维珍集团总裁布兰森爵士在纽约维珍酒店奠基现场

上图：维珍布兰森爵士与SpaceX及特斯拉CEO马斯克在一起

    1.5知识分子The Intellectual

2021年6月17日，猎鹰9号发射的GPS III SV05 | 图源：NASA

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  导  读
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12月21日，是一个刻写了多个航天标志性事件的日子。 

1968年的这一天，阿波罗8号发射升空，开启了人类首次飞出地球轨道的环月之旅；2015年的这一天，猎鹰9号一级火箭垂直降落在陆地着陆区，标志着全球首次轨道发射火箭陆地回收；2021年的这一天，猎鹰9号一级火箭垂直降落在一个仅有足球场大小的海上平台，这也是SpaceX历史性实现第100次回收火箭。

撰文 | 程亦之（宇航科普作家）

责编 | 邸利会

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从1到100

图1 2015年12月22日发射ORBCOMM-2，编号为B1019的猎鹰9号一级火箭实现全球首次轨道发射火箭陆地回收 | 图源：Official SpaceX Photos

复用踩过的 “坑”

图2 2018年2月6日全球现役最强火箭重型猎鹰首飞，两枚侧翼火箭同步回收降落在着陆区 | 图源：Official SpaceX Photos

 为何是SpaceX？ 

图3 2020年11月22日发射Sentinel 6，这枚编号B1063.1的崭新火箭从加州范登堡发射场升空，几分钟后降落在不远处的陆地着陆区 | 图源：Official SpaceX Photos

SpaceX之所以最终打通复用火箭路径，是诸多因素交互作用的结果。 

首先不可或缺的是主因。SpaceX拥有一位不怕失败的灵魂人物。 

马斯克亲口说过的金句——“失败越多，就越可能接近成功。如果失败得不够多，说明你还不够创新。” 面对垂直着陆回收火箭这类科幻般的技术攻关，如果没有主导者异常强大的抗压性、承受力，很难笑到最后。 

反观电商出身的贝佐斯，换到太空界却变得非常保守，不断告诫研发团队：“这是一场比赛，我希望是太空史上最安全的发射系统。” 于是乌龟成了蓝色起源的吉祥物，凸显出贝佐斯的 “龟速” 信条：你只有一次一步，才能更快到达。 

至于那帮老牌航天公司，无论是航天巨头还是国家队更是不敢当先，或者受困于体制，或者被既得利益或者成就所绑架、拖累，哪有锐气和魄力去敢挑战技术创新？有的也只是亦步亦趋、跟着抄作业。

此外，SpaceX创新力与执行力恰好匹配，最终才能把看似科幻级的垂直着陆回收火箭变成现实。

当初NASA设计复用发射系统时，假设的限制条件是 “火箭的回归需要靠空气动力学的升力”，于是催生了外形类似飞机的航天飞机。可是机翼巨大而沉重，空气动力学的升力大小，又得视机翼尺寸而定。机翼越大，虽然升力也越大，但在发射时也会增加重量、体积、阻力。 

考量到这些限制后，航天飞机发射系统最终被设计成一个不伦不类的折衷方案——配有一个附加在外的巨大油箱，而且只能使用一次，航天飞机本身的滑翔能力也是相当有限。

相反，SpaceX彻底改变了设计思路：不再考虑什么空气动力学的升力了，就靠火箭本身动力。

其大胆之处在于需要重新点燃火箭发动机，挑战在于必须预留足够燃料，来减缓火箭降速（燃料也很重，还不能保留太多），还得依靠精湛的控制系统，以便稳定着陆过程。 

一旦敲定整体设计思路，剩下来就是百折不挠的执行力、各个击破的创新力，最终得以实现敢为天下先的垂直着陆回收模式。

其实，SpaceX不管是垂直整合、技术创新、低价高效、成本管控，还是卓越的创新力加上罕见的执行力，早已被一遍遍反复检验过，因此才会成就如今太空领域的大赢家。

全球跟进

图4 2021年6月17日发射GPS III SV05，一枚编号B1062.2的二手火箭即将落在海上回收平台上 | 图源：Official SpaceX Photos

由SpaceX开创的一级火箭回收复用模式，从最初被业界所不齿，到如今被效仿，短短几年工夫彻底改写了全球航天发射领域的市场格局和发展趋势。

2020年底成功首飞的长征八号，升级版CZ-8R作为国家队首款目标回收火箭正在研制中，计划2025年左右首度回收； 

首次挑战入轨发射未果的蓝箭航天（Landspace），正在研制朱雀二号甲烷液氧火箭，计划第一级采用垂直着陆回收技术；

中国民营商业航天首次成功发射入轨的星际荣耀（iSpace）正在开发的双曲线二号火箭，目标也是实现垂直着陆回收；

星河动力（Galactic Energy）研制的帕拉斯一号火箭，设计目标也将实现多次复用，现计划2022年下半年试飞； 

美国火箭实验室（Rocket Lab）发布的中子火箭，采用一级火箭+整流罩一体化垂直回收模式，瞄准2024年首飞；

蓝色起源（Blue Origin）试图打造新一代复用型火箭新格伦； 

联合发射联盟（ULA）希望通过火神火箭进入复用航天俱乐部；

相对论太空（Relativity Space）正在研制的人族R（Terran R），同样瞄准垂直回收复用能力；

俄罗斯航天局（Roscosmos）试图把阿穆尔火箭（Amur）打造成复用回收型火箭； 

欧空局（ESA）寄希望于忒弥斯（Themis）成为复用火箭；

印度空间研究组织（ISRO）期待自家下一代火箭RLV TSTO有朝一日实现回收……  

不过，纵观全球，不管是国家队还是老牌劲旅，即便从眼下开始算起，最起码至少也得5～10年才能初步掌握回收/复用火箭技术。 

到那时，一路遥遥领先的太空一哥SpaceX，已经成为地球轨道圈的 “价格屠夫”，更可能成为深空界道高一丈的 “世外高人”——

 SpaceX完全有能力驾驭新一代快速全复用太空运输系统——星舰（Starship）；娴熟执掌超重型火箭、星舰飞船的完全复用技术；在地球空间编织点对点的全球一小时交通网；在地月轨道构建繁忙的载人月球航班；在地火之间打造定期的火星运输线……

 这一切不再是航天白日梦，也不再是马斯克的个人梦想，而是人类跨出母星摇篮，构建跨星球文明，开启大航天时代的现实写照。

 这一切都基于最初的复用火箭路径，未来的快速全复用模式。

 背景知识 

 回收火箭到底有多难？

 如果把猎鹰9号回收火箭比作一支铅笔，从发射到返回的技术难度，相当于让这支铅笔飞过帝国大厦头顶（103层，超过450米），然后再精准落到一个只有鞋盒大小的着陆点！ 真实版的猎鹰一级火箭返航着陆阶段，质量约为27吨，箭高40米，相当于13层楼那么高，从80公里亚轨道飞回地球，经过3次发动机点火反推减速，从5倍客机速度降到客机巡航速度，再降到高铁速度，最终降至成人快走速度，这样一个圆柱体大家伙完全依靠全自动化从天而降，直至精准着陆。
猎鹰火箭是为了太空快递、轨道运输而生，采用两级火箭推进模式，一级火箭可以产生最大推力170万磅（770吨），通常能够飞到80公里高度，再由二级火箭接力推进，最终运送有效载荷进入预定轨道。 这期间，猎鹰9号一级火箭需要经过一系列复杂翻转操作，才能垂直降落在陆地着陆场或者海上回收平台。 一级火箭垂直回收过程包括： 

• 两级分离——一般在80公里高度的亚轨道，一二级火箭分离，一级火箭降落滑行。

• 翻转——利用液氮喷气推进器进行飞行方向翻转，发动机一端朝向地球。

• 反推力——此时速度高达每小时4800公里（相当于普通客机巡航速度5倍多，接近4马赫），启动3个发动机，反推力减速。

• 展开栅格翼——减速到900公里/小时（相当于普通客机巡航速度），关闭发动机，栅格翼展开，利用升力减速、箭体姿态调整。

• 第二次点火——降速再次加速时，启动中心发动机，直到减速降落，再次关闭发动机。

• 转动栅格翼——利用栅格翼产生升力，调整飞行姿态。

• 第三次点火——距离着陆大约1公里时，一级火箭降落速度达到378公里/小时（相当于高铁时速），第三次也是最后一次点火反推，启动中心发动机，减速到8公里/小时（相当于成人快走的速度），展开着陆架，同时利用液氮推进器+栅格翼进行姿态微调。

• 垂直着陆——当发射升空大约8分钟左右，一级火箭实现精准着陆。海上回收平台面积相当于美式足球场大小，比标准足球场小一号。 

 复用火箭有多难？

 回收火箭只是路径，不是目的，重复使用才是目的。 SpaceX如何才能复用火箭？简单来说分为如下七步： 

• 一级火箭实现软着陆、整流罩安全回收（整流罩受控海面溅落打捞回收；二级火箭目前不能回收复用）；

• 陆路运输至德州麦格雷戈火箭测试基地进行复查、翻新、测试；

• 对9台梅林发动机进行脱油清理，采用煤油+液氧作为推进剂的梅林发动机不可避免地产生老毛病：积碳问题，需要耗时耗力拆装涡轮机才能彻底清理干净；

• 需要对箭体本身、燃料罐/液氧罐、栅格翼、着陆腿、整流罩等硬件进行全面检查，包括X射线复检，试图发现潜在裂缝或者其他异常；

• 重新装配一级火箭，执行静态点火测试；

• 由火箭测试基地再次运抵发射场，一二级火箭+整流罩/有效载荷进行水平整合；

• 发射前执行一系列复检，视情况而定是否执行发射台静态点火测试。事实上每次试射都会不可避免地对发动机造成损耗，之后整装待发，瞄准再度发射升空。

制版编辑 | 卢卡斯

上文由[宏菱环球投资俱乐部]诚意推荐，部分内容转载自【知识分子】。

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关于美国林氏集团：

拥有40多年历史的美国林氏集团是集制衣、房地产开发、酒店建造、经营、管理及科技投资于一体的综合性集团，有30多年的房地产开发经验。在过去20年间，林氏集团已建成50多幢大厦，28家酒店，为当地创造了数以亿计的财富，近五年仅旗下酒店部门就创造了上万个全新的永久工作机会。林氏集团合作伙伴包括全球著名英国最大的私人企业-维珍集团、世界500强全球最大的酒店管理集团-万豪国际酒店集团、世界500强全球最大的连锁咖啡公司-美国星巴克公司。

上图：林氏集团主席林建中简介

2015年9月25日，由两位世界闻名的商业巨子英国维珍集团总裁理查德•布兰森（Richard Branson）和美国酒店大亨林氏集团主席林建中（John lam)携手合作，投资五亿美金建造的纽约五星级维珍酒店于曼哈顿百老汇大道夹29街举行奠基仪式。坐落于全世界最昂贵地段的维珍酒店将是纽约十大建筑之一，也是一个为帮助更多中国精英投资移民建造的最稳健最有实力的投资项目，创造3400多个就业机会，并提供40个宝贵的投资移民名额。

上图：纽约维珍酒店效果图

纽约维珍酒店将成为纽约最大、最时尚的，拥有近500个房间的五星级大酒店，还有购物中心，美食广场，运动场所，娱乐休闲等。比伦摩天大廈，世界最大的Macy 百貨公司，韓國城，年青人的創業商業中心區，Google總部。2014年底开始拆楼，经过近十个月的清拆，旧楼已全部拆平。2016年开始建设地基及主体，2019年02月中已经封顶并开始内外装饰。

上图：美国林氏集团董事局主席及首席执行官林建中和英国维珍集团总裁Richard Branson在维珍酒店奠基现场合影

上图：美国林氏集团亚太区总裁、纽约林氏区域中心总裁王泳珺(王晓华)与美国林氏集团董事局主席及首席执行官林建中及英国维珍集团总裁Richard Branson合影（从左到右）

林氏集团美国总部地址：202 Centre Street，6th Floor，New York，NY 10013

亚太区总部地址： 北京市朝阳区将台乡驼房营路8号新华科技大厦7楼EB-5项目地址：1205-1227 Broadway, New York, NY 10036

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           李卓平  先生

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上图：中国区副总裁李卓平与王总裁在中国广州投资移民分享会的合影