在美國(guó)停止從本土進(jìn)行載人航天 9 年后，SpaceX 公司于 5 月 30 日從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心的 39A 發(fā)射平臺(tái)向國(guó)際空間站成功運(yùn)送了兩名宇航員。經(jīng)過(guò) 19 小時(shí)小時(shí)的飛行，龍飛船與空間站準(zhǔn)確對(duì)接。未來(lái)，隨著火箭回收和重用技術(shù)的成熟和商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，發(fā)射成本有可能會(huì)使快速下降。更多太空技術(shù)將會(huì)在很多方面服務(wù)人類(lèi)。

從 2011 年向公眾宣布他們的可回收火箭發(fā)展計(jì)劃開(kāi)始，SpaceX 公司花費(fèi)了約四年時(shí)間才在 2015 年實(shí)現(xiàn)了一級(jí)火箭軟著陸。之后又經(jīng)歷了兩年時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，他們著陸成功率才顯著上升。在接近 5 年的著陸實(shí)驗(yàn)中，他們不斷的應(yīng)用了更多新技術(shù)，也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。迄今為止，他們成功完成了 53 次一級(jí)火箭軟著陸，進(jìn)行了 36 次二手火箭發(fā)射。他們最快速的一次火箭回收翻新并投入第二次發(fā)射只需要不到 63 天?，F(xiàn)在被翻新次數(shù)最多的兩枚火箭 B1048 和 B1049 分別被發(fā)射了 5 次。那么 SpaceX 是如何做到回收火箭的？被回收的火箭能夠被重用多少次？未來(lái)還會(huì)有哪些技術(shù)進(jìn)步呢？

為了能夠達(dá)到重用火箭的目的，SpaceX 公司必須要能夠在發(fā)射任務(wù)完成后能將一級(jí)火箭準(zhǔn)確導(dǎo)航至預(yù)定場(chǎng)地，然后成功降落回收。他們先在 “蚱蜢”火箭上開(kāi)發(fā)低空環(huán)境下的垂直起降技術(shù)。這種被命名為 “蚱蜢”的小型火箭裝配有和獵鷹 9 號(hào)一樣的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)矢量推力和油門(mén)控制技術(shù)，它可以躥升至一定高度，在空中懸停，并精確降落至另一地點(diǎn)。如果垂直起降技術(shù)能夠獲得成功，就可以避免使用傘降技術(shù)，然后再?gòu)暮Ｖ写驌苹鸺木骄?。?2013 年 10 月的最后一次測(cè)試中，“蚱蜢”火箭從 740 米的高空安全降落。在掌握這一技術(shù)后，SpaceX 在 2013 年至 2015 年的多次獵鷹 9 號(hào)發(fā)射任務(wù)中進(jìn)行了應(yīng)用。遺憾的是，早期的導(dǎo)航誤差達(dá)到 10 公里，完全無(wú)法達(dá)到回收的目的。但是他們?cè)诓粩嗟氖≈惺占舜罅繑?shù)據(jù)，逐步把誤差縮小到僅僅 10 米。直到 2015 年 12 月 22 日的一次 11 顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)中，他們才最終成功讓火箭軟著陸。

在實(shí)現(xiàn)火箭回收任務(wù)的過(guò)程中，SpaceX 應(yīng)用了很多項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)原有設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)。他們?cè)诨鸺膊繃娮焐蠎?yīng)用了矢量推力技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在很多軍用飛機(jī)上也有應(yīng)用。通過(guò)控制尾部火焰的噴射方向來(lái)改變火箭的飛行方向和姿態(tài)。與傳統(tǒng)火箭不同的是，可回收火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)把二級(jí)火箭送入太空之后，在返回著陸場(chǎng)的過(guò)程中需要再點(diǎn)火兩次來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力減速。所以梅林發(fā)動(dòng)機(jī)必須要在高空和超音速的狀態(tài)下具備二次點(diǎn)火功能。2015 年開(kāi)始，獵鷹 9 號(hào)火箭在原有基礎(chǔ)上增加了頂端的四個(gè)可折疊柵格翼。這些柵格翼在 50 年代由蘇聯(lián)導(dǎo)彈專(zhuān)家發(fā)明，具備氣動(dòng)控制能力。它們?cè)诎l(fā)射過(guò)程中保持折疊，在下降過(guò)程中，它們會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，通過(guò)偏轉(zhuǎn)方向來(lái)精確控制火箭返回時(shí)的飛行軌跡。

為了讓發(fā)射成本下降，獵鷹 9 號(hào)火箭必須要能夠縮短其翻新周期，讓它在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)發(fā)射狀態(tài)。在 2018 年 5 月 11 日孟加拉國(guó)通訊衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)中，他們使用了最新的 Block 5 型獵鷹 9 號(hào)火箭。這種火箭對(duì)已有型號(hào)進(jìn)行了比較重要的幾項(xiàng)改進(jìn)。原來(lái)的鋁合金柵格翼被更換為鈦合金材料。這樣可以抵御重入大氣層產(chǎn)生的高溫，避免回收之后還要重新更換。比較容易在返回過(guò)程中遭受損傷的部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩和著陸支撐架也使用了新的設(shè)計(jì)。業(yè)界普遍認(rèn)為，這次改進(jìn)讓發(fā)射成本下降到只有之前的十分之一。但即使這樣，也只是讓翻新周期從之前的 356 天下降到 107 天。已經(jīng)退役的航天飛機(jī)曾經(jīng)只需要 55 天的翻新周期就可以投入第二次發(fā)射任務(wù)。由于 1986 年挑戰(zhàn)者號(hào)的失事，美國(guó)宇航局對(duì)航天飛機(jī)的翻新工作增加了很多新的規(guī)定。之后完成一次翻新仍然只需要不到 100 天，但是需要宇航局約 9000 名工作人員的參與。這也就決定了航天飛機(jī)的發(fā)生成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)火箭和現(xiàn)在的可回收火箭。

在獵鷹 9 號(hào)被成功回收之后，SpaceX 需要把它運(yùn)送回自己的廠(chǎng)房進(jìn)行檢測(cè)和翻新。火箭先被從著陸場(chǎng)裝載到拖車(chē)上，送回公司廠(chǎng)房。在那里著陸支架會(huì)被人工方式取下，然后開(kāi)始進(jìn)行翻新工作。9 臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)被嚴(yán)格檢測(cè)，確保它能夠在下一次飛行中正常工作。按照馬斯克的介紹，梅林發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)將會(huì)達(dá)到不需要大修就可以安全飛行 1000 次的目標(biāo)。燃料箱和壓力容器要進(jìn)行超聲波檢測(cè)，確保上一次飛行沒(méi)有導(dǎo)致它們產(chǎn)生損傷。如果這些部件存在裂縫，將會(huì)在下一次加注燃料的過(guò)程中產(chǎn)生泄漏。在所有翻新工作都已經(jīng)完成之后，這枚二手火箭會(huì)被運(yùn)送到發(fā)射臺(tái)。宇航局還會(huì)再進(jìn)行一次靜態(tài)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，確保所有發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常工作。如果一切正常，有效載荷才會(huì)被裝載到火箭頂部，為下一次發(fā)射做好準(zhǔn)備。由于火箭翻新還是一個(gè)未知領(lǐng)域，他們需要通過(guò)每一次的發(fā)射任務(wù)來(lái)完善工序。

現(xiàn)在，SpaceX 希望進(jìn)一步簡(jiǎn)化火箭的翻新工作。雖然獵鷹 9 號(hào)理論上可以執(zhí)行 100 次發(fā)射任務(wù)，但是公司在目前只打算讓它們最多飛行 30 次，之后就會(huì)被銷(xiāo)毀。未來(lái)，他們希望能夠擁有 20 枚火箭的庫(kù)存；然后讓火箭變得像普通飛機(jī)一樣，只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的檢測(cè)就可以在 24 小時(shí)內(nèi)迅速投入第二次飛行。

在 6 月 8 日給所有員工的信中，馬斯克認(rèn)為公司的首要任務(wù)是加快星際飛船（Starship）的研發(fā)工作。按照設(shè)計(jì)，星際飛船將會(huì)是完全可重用的。它將被主要用于月球和火星登陸的發(fā)射任務(wù)。他們正在德州的 Boca Chica 開(kāi)發(fā)其原型機(jī)，并且已經(jīng)經(jīng)歷了四次重大挫折，計(jì)劃在 2021 年能夠開(kāi)啟星際飛船的首次商業(yè)飛行。如果這些目標(biāo)都能實(shí)現(xiàn)，星際飛船還可以被用于在地球上的快速旅行。它將可以使人們能夠在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)達(dá)到地球上的任何地點(diǎn)。

雖然人類(lèi)在征服太空的道路上還存在很多技術(shù)障礙，但是近幾年人們熱情已經(jīng)達(dá)到了阿波羅登月以來(lái)的高峰。SpaceX 的歷史性的壯舉不但意味著可回收火箭在經(jīng)濟(jì)性和安全性上全面超越了航天飛機(jī)和之前的土星 5 號(hào)火箭，也代表著美國(guó)開(kāi)始更多用私人公司承接以前由政府部門(mén)主導(dǎo)的宇宙探索任務(wù)，運(yùn)用市場(chǎng)的力量來(lái)推動(dòng)科技研發(fā)將會(huì)是以后太空開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向。