只有让火箭从一次性损耗品，变得可重复使用，这才能把向太空送人送物的成本显著降下来
文 | 李皙寅 翟芳雪
编辑 | 施智梁
“火箭为啥看起来脏兮兮的，马斯克这么缺钱吗？就算不刷一遍油漆，也应该洗一洗。”在一次“猎鹰9”火箭发射的视频下，有网友如此评论。
在业内看来，这些看上去脏脏的痕迹，恰如一块块军功章，是此前一次次发射成功的有效例证。
现有的大多数火箭都是“一次性”的易耗品，这使得向太空中配送物资的成本极其高昂，难以满足人类大规模进入太空的需求，而运载火箭的可重复使用是降低发射成本的最重要手段。
以往的火箭一飞冲天后，逐渐会越飞越远，直至消失在视野里……12月10日，在酒泉卫星发射中心，出现了不同于往日的一幕：火箭腾空而起后，水平移动50米后，再稳稳地降落在目标区域。
这是北京星际荣耀空间科技股份有限公司（下文简称为“星际荣耀”）的双曲线二号可重复使用液氧甲烷验证火箭，在中国酒泉卫星发射中心开展第二次飞行试验任务，实现了可重复使用验证火箭的复用飞行，这为中国商业航天掌握可回收技术打下基础。
打造能够重复使用的火箭，是一场系统性的挑战。星际荣耀液体型号总设计师季海波告诉出行一客（ID:carcaijing），不同于传统一次性的火箭，为了保障可重复使用火箭能够低成本、快速地实现复用，在火箭方案阶段，就需要在火箭硬件、软件设计上，做到充分的测试性和维护性设计，并规划好能够复用的一系列检查、测试和维护标准，建立一整套针对已回收火箭的检测、评估和维保体系。
商业航天发展到了今天，业内竞争的关键点已经从能不能把火箭打上天，转变成了如何降低入轨成本，保障足够运力，并具有足够的飞行可靠度，本质上是要比拼服务的阶段。
猎鹰9-斯达领科2火箭
图源/IC
目前商业航天发展的阻碍，恰恰就是高昂的发射成本。在鼎晖百孚合伙人刘尚告诉出行一客（ID:carcaijing），和所有的运载工具一样，火箭必须降本，降低让卫星上天的成本，进而降低卫星运营商的成本，加快卫星组网的速度，让消费者能够更快更省地用上卫星互联网，最终让整个商业航天的商业逻辑早日闭环并运转起来。
如何让包括火箭在内的各种航天器，实现可重复使用，是国内外商业航天追求最高投入产出比的必经之路。当“脏兮兮”的火箭越来越高频地发射成功之时，如同大航海时代一般的星际移民时代，也将越来越近。
01
为啥一定要搞可回收技术？
此次飞行，星际荣耀成功解决了垂直回收的“最后一公里”任务中，复杂的气动力、热干扰、高精度稳定着陆等多项关键问题，中国商业航天在液体运载火箭的可重复使用技术能力上取得了重要突破。
在11月2日，双曲线二号验证火箭，刚完成了首次垂直起降飞行试验，首飞完成后，星际荣耀在仅二十天的时间内便完成了火箭的重复使用维护检测工作，再次转场执行重复使用飞行任务。
在中国科技新闻学会太空文化传播青少年工作委员会委员王君毅对出行一客（ID:carcaijing）看来，双曲线二号可重复使用液氧甲烷验证火箭的成功发射的意义有三点：其一，火箭采用了真实的火箭发动机，通过二次试飞，验证了发动机的可重复使用能力；其二，进一步验证了回收算法，特别是近地面调整算法；其三，在飞行试验环境中验证了发动机的推力深度、可调能力。
打造可重复使用火箭是一项系统工程。比如，双曲线二号火箭采用的焦点一号可重复使用深度变推力液氧甲烷发动机（代号JD-1），能够在检测后实现快速复用飞行，主要得益于火箭的发动机采用了液氧甲烷推进剂。
根据使用推进剂的不同，火箭通常可分为固体火箭和液体火箭。相较于固体火箭，液体火箭具备比冲高、推力可调、可多次启动等优点，是可回收运载火箭的更优选择。
双曲线二号可重复使用液氧甲烷验证火箭，
在酒泉卫星发射中心，开展第二次飞行试验任务。
图源/星际荣耀
季海波对此介绍称，这说明了液氧甲烷作为推进剂具备低成本、简单维护、获取方便的天然优势，是打造可重复使用火箭的可行路径之一。
通过可回收技术，火箭单次发射卫星的成本将大幅度降低。
传统的液体火箭发射后，火箭价值最高的一子级往往在大气层内烧毁，造成了巨大资源浪费。有的燃烧不完全，还可能对地面造成安全隐患。相比之下，在完成任务后，可重复使用火箭能够安全回收一子级，，经过维修后再次发射，大大降低了发射成本。如果能够再回收二级，那么可重复使用火箭的成本将进一步得到降低。
作为商业火箭的代表SpaceX猎鹰9号，全新火箭成本在5000万美元左右，而回收后一级和整流罩后复用火箭的单次发射成本仅在1500万美元，仅为全箭的30%，如果未来实现液氧甲烷和二级可回收后，成本将会更低。马斯克透露，未来的星舰每千克的运输成本可能低于200美元。
一旦可重复技术变得成熟，将给整个商业航天带来关键性突破。维洲科技创始人、中国宇航学会会员姚明华对出行一客（ID:carcaijing）解释称，此前，因为要覆盖一次性火箭的成本，导致卫星发射代价很高昂，一旦可重复火箭功能成熟，就可以按照单颗卫星的重量来“按斤计价”，有助于卫星公司按照下游客户的需求，定制开发；以后，像近地轨道遥感卫星的发射，可能会像乘出租车一样方便快捷。
量变还将产生质变，这将极大地扩容整个上下游产业链，从航天材料到航天电子产品引发全面变革，从上游研制、发射，到下游运营、应用，几乎每一个环节都能创造千亿级别的市场。
02
探路者马斯克
如果要讲可回收火箭，就势必要提到马斯克创办的太空探索技术公司（SpaceX）。作为可回收火箭领域的领头羊，SpaceX创造了许多先例，其中最主要的是三个“首先”。
SpaceX是首家成功回收载人飞船的公司。他们于2010年12月8日成功将Dragon货运飞船送达国际空间站，并在返回地球时成功收回。这一成就标志着私营公司在可回收载人飞船领域的领先地位。
2015年，SpaceX发射的“猎鹰9”火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功实现第一级火箭的软着陆，从而开创了火箭从太空直接垂直回收的历史，SpaceX成为首家成功回收火箭的私营航天公司。
据SpaceX官网介绍，“猎鹰9”是一款可重复使用的两级火箭，也是世界上第一个轨道级可重复使用火箭，由SpaceX设计和制造，能够可靠、安全地将人员和有效载荷运送到地球轨道及更远的地方。
SpaceX还是首家成功将火箭回收到海上平台的公司。他们于2016年4月8日成功将“猎鹰9”火箭的第一级降落在无人船上。这一技术突破使得SpaceX能够在更广阔的海域上进行回收，降低了由于回收带来的运载能力损失，并提高了火箭回收的灵活性。
截至目前，SpaceX官网显示，“猎鹰9”共发射280次，着陆238次，重复飞行次数213次。
与大众直觉相反，由于火箭回收后可以对其进行飞行后的全面检测，找到火箭上存在的薄弱环节，并有针对性对进行设计改进、优化和维护，使其能够更好地适应飞行环境，因此，火箭的可靠性反而可能更高，季海波如是称。如SpaceX的“猎鹰9”火箭，目前已经成为了世界上最可靠的火箭之一，这其中，火箭回收后的检测和有针对性的改进就起到了重要作用。
“星舰”运载火箭第二次试飞
图源/IC
另外，除了“猎鹰9”，SpaceX还研发了人类史上最大的全重复使用运载火箭“星舰”。 它是目前人类研制时间最短、体积最大、动力最强的运载火箭。只是从今年11月18日的二次试飞失败的结果来看，“星舰”的技术还需要进一步打磨。
商业航天企业中人，对于SpaceX的发展经历如数家珍，在接受《财经》记者采访时，他们普遍感慨马斯克的敢想敢干，以及NASA长期以来通过订单持续“投喂”，让SpaceX走出了早期技术验证的荒漠阶段；同时也羡慕于SpaceX所处的资本市场对于前瞻科技受挫失败的较高容忍度。
中国民营商业火箭公司已经走过了九个年头。到目前为止，已经有五家企业实现了入轨发射。
这与中国对商业航天企业更大的扶持力度有关。2014 年，中央下发 60 号文件《国务院关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》，允许对有兴趣加入航天业的公司进行大规模的私人投资。
对于中国的商业航天产业来说，马斯克和“猎鹰9”最大的好处在于，借助前者这样的领头羊，更清晰地向外界展现了商业航天的运行逻辑，从而让中国商业航天产业获得更好的成长环境。
稍早前，据外媒披露，以烧钱推进技术突破而闻名的火箭公司SpaceX，在今年初已经扭亏为盈。根据内部文件显示，SpaceX在今年第一季度实现了15亿美元的营收，并获得了5500万美元的净利润。这家公司在过去两年里快速增长的营收是实现盈利的关键。2021年和2022年，公司的总费用分别为33亿美元和52亿美元。
马斯克认为探索太空对于人类的未来至关重要。他指出，地球上的资源有限，而人类面临着人口增长、资源短缺和环境问题等挑战。只有通过探索太空，寻找新的资源和居住地，才能够解决这些问题。
SpaceX X-37B太空飞机
图源/IC
网上有人传言马斯克此前公布了SpaceX的部分相关专利，令人遗憾的是，由于诸多原因，航天技术难以实现业内的共同分享，更不用提跨国别地应用了，网上确实也查询不到相关专利内容。
季海波对出行一客（ID:carcaijing）直言，查不到马斯克关于他火箭回收这方面的任何公开资料，只能看外观，看到大致的构型，但内部细节是咱们看不到的，这块全都是靠中国航天技术人员自己来摸索，自己一次次探索出来的。从技术到产品都是公司自主研发，关键技术要掌握在自己手上，而关键技术我们要去突破，有坎我们要去闯。
03
最终目标，移民太空
当人类把浩瀚的蓝星比作“地球村”时，征服太空的野心就昭然若揭了。
人类在星辰之路上步履不停，1957年首颗人造地球卫星升空以来，人类不但已经登上了月球，还将探测器送入了火星。
科学家们提出了很多建立太空城的幻想。美国科学家拟建的太空城，一种设计方案是一个旋转的圆筒，可容纳大约1万名居民。另一种设计方案是轮状的、供中心旋转的太空城，明亮且温暖如春。
马斯克曾经公开表示，他的长远目标是把人类从地球移居到其他星球，并保证这一过程足够安全、价格低廉。马斯克说：“如果我们把每个人移居火星的成本控制在200万美元左右，就可以开创一个大市场。”
图源/IC
为什么他们如此热衷太空移民？地球资源匮乏是最重要的原因。2017年5月，史蒂芬·霍金曾发表“世界末日”预言，警告人类必须在100年内离开地球。
霍金解释称，由于地球正受到气候变化威胁，自然资源也在迅速减少，将来人类进行太空旅行是不可避免的。他表示：“我们正在耗尽空间，唯一的方法就是前往其他世界。”
另外，太空中有大量的未开发资源，包括稀有金属和太阳能。《Nature》上有文章解释，小行星上的金属资源可能比地球上的所有已知储备还要多。此外，太空太阳能电站可以在没有大气干扰的情况下收集太阳能，提供持续、可靠的电力。
从技术上来看，目前仅能实现公斤级的小重量物质的回收，如果希望实现太空资源采集，则不但需要回收一级助推器，还要能够回收返回舱，实现成熟的异星发射技术。
太空移民可以为科学家提供一个独特的环境来进行研究。NASA认为，微重力环境可以帮助科学家更好地理解物理学和生物学的基本原理。
不仅如此，太空移民也可以帮助人类更好地理解地球的形成和演化，以及生命的起源。例如NASA的太空探索计划，通过在太空中进行实验和观察，帮助人类更好地理解宇宙。
幻想中的太空人类基地
图源/IC
从商业和经济的角度来说，太空移民可以创造大量的机会。太空探索和开发能够促进科技创新和产业发展，带动就业和经济增长。
据美国太空行业组织——太空基金会发布报告称，全球太空经济在2022年增长了8%，达到5460亿美元，预计未来五年将再增长41%。另据欧洲咨询公司发布的《太空经济报告2022》显示，2022年全球太空经济总额达4640亿美元，较上一年度增长8%。
然而，移民太空目前还只是人类寄托希望的风向标。《Science》指出，太空移民面临着许多挑战，包括技术难题、经济成本、生物适应性问题和伦理问题等。
可重复使用技术，是人类大举向太空的必要技术，不止是火箭，也同样适用于飞船，而可回收飞船是实现太空移民的必要环节。
一方面是节约成本，传统的一次性飞船在每次任务完成后都会被丢弃，而可回收飞船可以在完成任务后返回地球，经过检查和维修后再次使用。SpaceX的CEO埃隆·马斯克曾经表示，可回收火箭的使用可以将太空旅行的成本降低100倍。
另一方面，太空移民不能毕其功于一役，需要飞船频繁往返。如果每次发射都需要建造新的飞船，那么发射的频率将受到严重限制，而可回收飞船可以在短时间内准备好再次发射，这对于太空移民来说尤其重要，因为需要在短时间内将大量的人和物资送到太空。
马斯克在采访中提到，SpaceX的目标是实现火箭的快速可重复使用，以便能够更频繁地发射火箭。
此外，一次性飞船在使用后会成为太空垃圾，对环境和航天安全造成影响。有公开报道称，仍有超过4500吨重的垃圾留在绕地轨道上，而可回收飞船可以减少太空垃圾的产生，更加环保。
中国科学院院士、中国载人航天工程总设计师周建平在接受采访时表示，中国的载人航天工程也在研究可回收技术，以降低成本和提高效率。
无独有偶，12月14日，在酒泉卫星发射中心，一型可重复使用的试验航天器，借助长征二号F运载火箭，成功发射。据新华社报道称，该试验航天器将在轨运行一段时间后，返回国内预定着陆场，其间将按计划开展可重复使用技术验证及空间科学实验，为和平利用太空提供技术支撑。
错过“大航海时代”的中国人，决不能再错过即将到来的“大航天时代”了，正如中科创星创始合伙人米磊所说，这是一场真正走向星辰大海的史诗征途。
