【超大科普系列文章】飞天众智：SpaceX教你堆火箭

自从2010年起来，美国的SpaceX(太空探索技术公司)已近乎发展成为了一种流行文化。有狂热的粉丝，也有相关的文化图腾，更有无数力挺的跨界著名关注者。目前，已被许多营销团体或者个人包装用于各类营销目的。

当然，这种现象并不奇怪。截至2015年末该公司的“猎鹰9”火箭(Falcon-9)完成了至少6次发射，把多颗航天器送入轨道。作为一种LEO酬载13吨、典型发射任务报价只有5400万美元的“经济适用型”中型运载火箭，“猎鹰9”的实用、可靠已经得到证明。而这并非SpaceX最著名的地方。

“猎鹰9”迄今进行过4次一子级垂直回收试验，这是去年12月唯一成功的那一次

最吸引眼球的是——迄今为止“猎鹰9”回收型进行了4次一子级垂直回收试验，有一次获得圆满成功(载荷入轨+回收成功)，剩下的几次也部分成功(载荷入轨+回收失败)。

众所周知，SpaceX的创始人埃龙·马斯克并非航天专业出身，但是自创办SpaceX以来，搞得有声有色。这一切是怎么做到的?

货架产品+成熟技术+扁平化研发+够用就行 = 猎鹰火箭

SpaceX的成功之道，简而言之两个字——堆砌。

以“猎鹰9”【注：本文所有数据均取自最新的版本1.1型号】为例，其采用涡轮发射器循环的梅林(Merlin)液氧煤油发动机单台推力一般。为了能满足推力要求，火箭第一级居然并联9台梅林1D型(起飞级型号)。最终实现了整箭最大起飞质量541吨，200km/28°圆轨道酬载约13吨的优异成绩。

众所周知，发动机是决定运载火箭性能的最关键因素，而梅林发动机是在上世纪60年代、阿波罗计划的登月舱的下降段发动机的基础上演进发展而来，海平面比冲只有270s～275s(梅林1D，更早型号的比冲还要低一些)，它的循环模式、比冲都指标都已经落后，推力也偏低，哪怕是最新型号、海平面推力最大的梅林1D，也只有大约66吨推力。

梅林1C发动机：小巧、简单

是因为没有更好的引擎?显然不是。

在NASA琳琅满目的货架上，梅林发动机和航天飞机的主发动机SSME相比，就是技术落伍的“大路货”。比如大名鼎鼎的洛克达因(Rocketdyne)，它研发的SSME，液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用，海平面比冲366s、海平面推力约190吨，甩开梅林1D一大截，真空比冲(452s)的差距就更大了，梅林1D只有310s。基于坊间戏称SpaceX是NASA的“干儿子”，而梅林发动机也是这位干妈带来的礼物之一。如果说这种发动机很一般，那么看来似乎妈对这个“干儿子”也不怎么样咯?

答案还是否定的，因为这是SpaceX自己的选择。

航天飞机主发动机：性能优越，价格更是“感人”

“猎鹰9”的成功就在于它采用了梅林发动机这样的“大路货”。

梅林发动机廉价，最新型的梅林1D、据推算价格也只有百万美元级别，而SSME的价格是几千万美元，折算成单位海平面推力价格，SSME是梅林1D的至少十倍，燃料的价格也差异极大(液氢VS煤油)。梅林发动机的推力适中，一子级九发并联、二子级一台梅林V，梅林V是在起飞级型号的基础上，采用大面积比的高空喷管改进而来，和梅林1D有很大的继承性。于是，一种发动机满足了所有需要，而其技术始于外来的无偿转让，公司要做的只是在获取技术的基础上进行开发和改进——这也极大地摊薄了研发成本。更是有利于组织批量生产、控制成本、提升质量。最终，以最经济的价格生产出适用的引擎。

梅林”发动机生产流水线

除了发动机，“猎鹰9”还大量选用商业、工业级电子元器件，相比较昂贵的宇航级器件，不仅有效降低了成本，这些器件采用的技术更先进、性能指标更好，比如说CPU，宇航级CPU比商业、工业级产品至少落后两代。“猎鹰9”毕竟不是卫星、不是深空探测器，它的工作寿命以分钟计、而非以月、以年计，商业、工业级元器件只要经过严格测试，辅以有针对性的辐射防护，完全可以在火箭上使用。

SpaceX的电磁干扰(EMI)测试室

在研发/生产管理上，互联网行业投资人出身的埃隆·马斯克把该行业的管理体制和组织架构引入SpaceX，采用扁平化管理模式：公司内部没有通常意义上的部门划分，甚至没有组织机构图，各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作，研发与生产的联系更为紧密，抛弃了不必要的繁文缛节和复杂低效的冗长管理流程。有一个不能保证真实性的故事，姑且算个段子吧，可见SpaceX的管理风格：“猎鹰9”研发工作的早期，某次发射前，经过计算和分析、一子级发动机的喷管需要调整面积比。如果是传统的航天系统作风，这个调整从请示报告再到层层批复、直到最终实施，最快也要一个星期。SpaceX不走这个套路，现场的技术负责人当场拍板，工程师马上拿着工具就去把喷管剪掉一截，前后统共几个小时，搞定。得益于这种扁平化管理、互联网基因，加之NASA全力支持，提供了大量设备、设施和智力支援，SpaceX长期保持着研发、生产团队的精干高效，公司曾经多年维持在数百人规模，2012年才扩张到千人，在有效控制人力成本的同时、保证了研发工作的高效率，“猎鹰9”火箭从方案论证到首飞，仅用了四年半时间。

埃隆·马斯克等SpaceX的高管层在监看火箭发射：典型的互联网公司风格

背黑锅你来，送死我去!SpaceX的抉择

SpaceX是NASA大力扶持，用来对抗ULA(发射联盟)的重要工具，NASA不仅授予SpaceX大量发射合同，还向其近乎无偿地转移了大量技术，并提供关键的设备、场所，帮助SpaceX研发、制造运载火箭和货运飞船，这种扶持力度之大，放在中国的体制下、甚至有国有资产流失+利益输送的嫌疑。但是这并不意味着SpaceX在技术上完全依赖NASA、吃NASA在过去几十年攒下的老本。相反，SpaceX很重视打造自己的技术力量、掌握核心和关键技术，进行了大胆的技术革新。在这个过程中，包括埃隆·马斯克在内的SpaceX公司决策层，表现出很好的“技术感觉”，有所为、有所不为，战略眼光精准、独到，赋予“猎鹰9”火箭诸多技术亮点。

在发动机方面，SpaceX没有去啃富氧燃烧、高压补燃循环这块硬骨头。SpaceX很清楚高压补燃循环发动机的技术难度，把突破点放在了另一个方面：减重。梅林发动机的原型，阿波罗飞船的降落发动机，本来就以高推重比为特点，SpaceX在研发过程中更是大胆采用了诸如爆炸成型工艺等新技术、新材料，在大幅度提高燃烧室压力、增加发动机推力的同时，减重30%，梅林1D发动机的推重比高达150。

Merlin1C(左)/Merlin1D(右)对比，后者的结构进一步简化

另一方面，SpaceX在箭体减重方面也下了很大力气，大胆使用诸如 2198铝-锂合金这样的新材料，并且在结构减重设计方面堪称冒进。例如，“猎鹰9”1.1版的级间段把分离机构从1.0版的九个减为三个，并且把火箭的长径比放大到19，这个设计可谓惊世骇俗。根据中国航天系统多年积累的经验，增大长径比有利于降低火箭的飞行阻力、减轻箭体重量，但是同时造成箭体纵向刚度不足、容易发生震颤、进而降低火箭的可靠性，所以长径比最好不要超过15——火箭纵向刚度不足带来的后果可能是灾难性的，“东风2”导弹首飞，就是因为纵向刚度不足、箭体发生震颤导致发射失败，教训十分惨痛。可以说，在箭体设计方面，SpaceX榨干了材料的潜力、颠覆了一系列火箭设计的经验公式，甚至带着一副“人有多大胆，地有多高产”的混劲来进行“赌博”式的尝试。但他们博对了，由此带来的好处也很明显，“猎鹰9”1.1版做到了高达30的干质比，箭体减重做到了极致。

“猎鹰9”火箭1.1版级间段，分离机构从1.0版的9个减为3个

美国国内现役几种主力火箭等比例对比图(缺战神系列)。“猎鹰9”火箭1.1版(左3)长径比达到19，人送外号“铅笔火箭”

对火箭公式有所了解的朋友应该知道，决定运载火箭性能的因素有两个：一是发动机比冲，二是火箭的干重。提高比冲、降低干重都可以提高火箭的运载系数。梅林发动机采用的燃气发射器循环限制了发动机比冲的提高，从较早的梅林1C到最新的梅林1D，燃烧室压力从1000psi提升到1420psi，海平面比冲仅仅从约266s提升到273s(推测值)，比冲提升的空间已经很小。但是，通过发动机和箭体的减重，“猎鹰9”用比冲指标落伍的发动机、实现了还算不错的运载系数，和“长征7”火箭相当。

年后即将试射的“长征7”。其发动机设计非常先进，但箭体构造却保守落后，以至于大大拖累了整体能力。未来，将有必要进行大刀阔斧的改进和升级，以挖掘其最大潜能

要知道“长征7”使用的YF100发动机可是高压补燃循环、富氧燃烧技术，海平面比冲301s，技术领先“梅林”整整一代，但是，因为箭体设计保守、加之发动机推重比不高(坊间传闻，YF100有超重问题)，“长征7”的干质比不高，潜力并没有被充分挖掘，运载系数仅仅和“猎鹰9”打了个平手，发动机的领先并没有转换成运载系数的领先，实在不太令人满意——这恐怕也是“长征7”将来需要大力改进提高的地方。

项庄舞剑——“醉翁之意不在酒”的一子级回收复用技术

行文至此，有一个结论已经跃然纸上：SpaceX的“猎鹰9”火箭，是一款使用货架产品+成熟技术，并且大胆运用新材料、新工艺，性能较好、成本控制非常成功的“经济适用性”火箭。但是SpaceX在2015年最吸引眼球的地方，并不是“猎鹰9”的技术成熟与价格低廉，而是它的一子级回收复用试验。虽然多次试射磕磕碰碰，只有一次陆上回收取得了成功，但是“猎鹰9”回收型所采用的主发动机减速+垂直回收模式无疑是开创性的，埃隆·马斯克更是频频放话，要凭借这个技术实现航天发射的“白菜化”，把单位质量发射成本降低1/20，震惊世界。对此，外界褒贬不一，心悦诚服、深信不疑者有之，半信半疑、谨慎观望者有之，更有人嗤之以鼻、认为这纯属嘴炮牛皮……那么，“猎鹰9”的一子级回收复用，真的能兑现埃隆·马斯克的豪言、颠覆国际航天发射市场的格局?或者，这根本就是“项庄舞剑，意在沛公”?

根据目前披露的技术细节和相关数据，我认为，SpaceX并不是把“猎鹰9”的一子级回收复用当作忽悠，但是，也未必真的寄希望于大幅度降低发射成本，他们另有深远考虑。

第一，主发动机减速+垂直回收，符合“猎鹰9”的技术特点。它的一子级发动机单台推力适中，以节流降推力模式运行、正好可以给一子级减速、缓冲，辅以气动格栅翼+RCS+着陆支架，垂直回收是一个很合理的技术选择，在技术上没问题。以埃隆·马斯克本人追求挑战的个性、以SpaceX技术团队的锐意进取，他们一定非常喜欢这个具有开创性的好主意，哪怕仅仅是技术积累的角度，这件事情也值得做。

既不先进，也不强劲的9枚引擎，并联推动了一枚很不错的火箭

第二，“猎鹰9”一子级回收复用，在降低成本方面是否有巨大收益，高度存疑。要回收复用一子级，在一、二子级分离的时候，一子级必须保留相当数量的燃料，初步估算大约10%或者略少，这等于增加了很大的死重(数十吨)，再加上用于姿态控制而额外增加的子系统、着陆支架，一子级的干质量也会有明显增加。”猎鹰9“本来靠减重实现了还算不错的运载系数，这些增加的重量不仅吃掉了减重的成果、更是增加了大量一子级死重，必然导致酬载减少。粗略估计，LEO酬载有可能减少10%，也就是说，回收复用一子级、至少要节约540万美元，经济上才能收支平衡。

按照SpaceX自己公布的数据，“猎鹰9”一子级的制造成本大约1500万美元，复用一子级、必然要大修，真的能够节约540万美元?梅林发动机不是什么高端货，九台发动机大修后复用，能省下多少钱?“猎鹰9”的箭体本来就榨干了材料的潜力，回收后的箭体经历了低温、高温、震动和冲击的考验，出现材料疲劳和结构损坏的可能性很大，到底还能有多大的剩余价值?航天运载工具的回收复用是多年来全世界航天人的梦想，NASA的航天飞机早就做到了高价值部件回收复用，但是经济性却被证明纯属呵呵呵～还不如一次性使用的运载火箭呐!

理想丰满但现实骨干的典型——航天飞机项目。其重复使用对经济性的意义，被证明只能用“呵呵”二字来形容

第三，虽然一子级回收复用未必能降低发射成本，但也不一定增加发射成本。前面列举了一子级复用需要增加的子系统：姿控平台，气动格栅翼，RCS，着陆支架，这些东西并不会大幅度增加火箭的制造成本;“猎鹰9”也未必每次发射都能碰上恰到好处的酬载、把火箭的性能吃干榨尽，这种情况下，一子级回收复用损失的酬载、恰好消耗了这部分多余的运力。以上两点综合考虑，只要选择执行合适的发射任务，回收复用型的任务成本很可能和标准型火箭相差不大，也就是说，在验证和完善一子级回收复用技术的同时、不一定付出额外的经济代价。

第四，“猎鹰9”一子级回收复用技术，也许现在不能降低发射成本，但是将来有这个潜力。梅林发动机比较廉价，回收价值低，但是别忘了NASA的货架上还有SSME这样的高端货，更何况NASA也正在研制高压补燃循环液氧煤油发动机，如果哪天“猎鹰9”火箭、或者是SpaceX的其它型号火箭，用上了牛逼的发动机，一子级回收复用的技术经济性优势就很明显了。“未雨绸缪”，这句古话是很有道理的。

最后，一子级回收复用，对于SpaceX在资本市场的运作大有裨益。“猎鹰9”回收复用型火箭只需要保持一定的发射频次，就足以不断制造新闻话题，在资本市场制造一系列概念，SpaceX公司从中获得的利益是显而易见的——大家不要忘了埃隆·马斯克是啥出身，人家可是做风险投资发家的，公关和资本运作的技能点满格!

上述这些，就是SpaceX创造出“奇迹”的原因。而这却是一个只有在美国这种不正常的市场内才能实现的“奇迹”。

重型猎鹰项目，计划于今年首射。其并联多达27台发动机，很有可能接下苏联时代N1的大旗……

苏联时代计划用于其登月项目的N1超级火箭。照片从其壮观到几乎能诱发密集恐惧症的第一子级发动机喷管群方向拍摄。并联过多引擎，最终导致该火箭变得极不可靠，多次发射失败。最终，N1的失败也葬送了苏联的登月计划，也宣告了这种堆砌式的火箭模式的破产。40年以后，马斯克是否会重蹈覆辙?

然而现在，这个“奇迹”似乎有被透支的迹象——重型猎鹰项目，即将在今年试飞。

马斯克似乎已经习惯在特斯拉上堆砌锂电池的做法，打算彻底将这种办法用到火箭之上——重型猎鹰将由3支“猎鹰9”捆绑，这也意味着发动机数目将达到骇人的27台……

下一期，我们将就上述问题探讨一下SpaceX未来的隐忧。更将汲取其先进思想，联系中国航天的现状，就我国的太空事业的现实问题做出探讨和展望。

自从2010年起来，美国的SpaceX(太空探索技术公司)已近乎发展成为了一种流行文化。有狂热的粉丝，也有相关的文化图腾，更有无数力挺的跨界著名关注者。目前，已被许多营销团体或者个人包装用于各类营销目的。

当然，这种现象并不奇怪。截至2015年末该公司的“猎鹰9”火箭(Falcon-9)完成了至少6次发射，把多颗航天器送入轨道。作为一种LEO酬载13吨、典型发射任务报价只有5400万美元的“经济适用型”中型运载火箭，“猎鹰9”的实用、可靠已经得到证明。而这并非SpaceX最著名的地方。

“猎鹰9”迄今进行过4次一子级垂直回收试验，这是去年12月唯一成功的那一次

最吸引眼球的是——迄今为止“猎鹰9”回收型进行了4次一子级垂直回收试验，有一次获得圆满成功(载荷入轨+回收成功)，剩下的几次也部分成功(载荷入轨+回收失败)。

众所周知，SpaceX的创始人埃龙·马斯克并非航天专业出身，但是自创办SpaceX以来，搞得有声有色。这一切是怎么做到的?

货架产品+成熟技术+扁平化研发+够用就行 = 猎鹰火箭

SpaceX的成功之道，简而言之两个字——堆砌。

以“猎鹰9”【注：本文所有数据均取自最新的版本1.1型号】为例，其采用涡轮发射器循环的梅林(Merlin)液氧煤油发动机单台推力一般。为了能满足推力要求，火箭第一级居然并联9台梅林1D型(起飞级型号)。最终实现了整箭最大起飞质量541吨，200km/28°圆轨道酬载约13吨的优异成绩。

众所周知，发动机是决定运载火箭性能的最关键因素，而梅林发动机是在上世纪60年代、阿波罗计划的登月舱的下降段发动机的基础上演进发展而来，海平面比冲只有270s～275s(梅林1D，更早型号的比冲还要低一些)，它的循环模式、比冲都指标都已经落后，推力也偏低，哪怕是最新型号、海平面推力最大的梅林1D，也只有大约66吨推力。

梅林1C发动机：小巧、简单

是因为没有更好的引擎?显然不是。

在NASA琳琅满目的货架上，梅林发动机和航天飞机的主发动机SSME相比，就是技术落伍的“大路货”。比如大名鼎鼎的洛克达因(Rocketdyne)，它研发的SSME，液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用，海平面比冲366s、海平面推力约190吨，甩开梅林1D一大截，真空比冲(452s)的差距就更大了，梅林1D只有310s。基于坊间戏称SpaceX是NASA的“干儿子”，而梅林发动机也是这位干妈带来的礼物之一。如果说这种发动机很一般，那么看来似乎妈对这个“干儿子”也不怎么样咯?

答案还是否定的，因为这是SpaceX自己的选择。

航天飞机主发动机：性能优越，价格更是“感人”

“猎鹰9”的成功就在于它采用了梅林发动机这样的“大路货”。

梅林发动机廉价，最新型的梅林1D、据推算价格也只有百万美元级别，而SSME的价格是几千万美元，折算成单位海平面推力价格，SSME是梅林1D的至少十倍，燃料的价格也差异极大(液氢VS煤油)。梅林发动机的推力适中，一子级九发并联、二子级一台梅林V，梅林V是在起飞级型号的基础上，采用大面积比的高空喷管改进而来，和梅林1D有很大的继承性。于是，一种发动机满足了所有需要，而其技术始于外来的无偿转让，公司要做的只是在获取技术的基础上进行开发和改进——这也极大地摊薄了研发成本。更是有利于组织批量生产、控制成本、提升质量。最终，以最经济的价格生产出适用的引擎。

梅林”发动机生产流水线

除了发动机，“猎鹰9”还大量选用商业、工业级电子元器件，相比较昂贵的宇航级器件，不仅有效降低了成本，这些器件采用的技术更先进、性能指标更好，比如说CPU，宇航级CPU比商业、工业级产品至少落后两代。“猎鹰9”毕竟不是卫星、不是深空探测器，它的工作寿命以分钟计、而非以月、以年计，商业、工业级元器件只要经过严格测试，辅以有针对性的辐射防护，完全可以在火箭上使用。

SpaceX的电磁干扰(EMI)测试室

在研发/生产管理上，互联网行业投资人出身的埃隆·马斯克把该行业的管理体制和组织架构引入SpaceX，采用扁平化管理模式：公司内部没有通常意义上的部门划分，甚至没有组织机构图，各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作，研发与生产的联系更为紧密，抛弃了不必要的繁文缛节和复杂低效的冗长管理流程。有一个不能保证真实性的故事，姑且算个段子吧，可见SpaceX的管理风格：“猎鹰9”研发工作的早期，某次发射前，经过计算和分析、一子级发动机的喷管需要调整面积比。如果是传统的航天系统作风，这个调整从请示报告再到层层批复、直到最终实施，最快也要一个星期。SpaceX不走这个套路，现场的技术负责人当场拍板，工程师马上拿着工具就去把喷管剪掉一截，前后统共几个小时，搞定。得益于这种扁平化管理、互联网基因，加之NASA全力支持，提供了大量设备、设施和智力支援，SpaceX长期保持着研发、生产团队的精干高效，公司曾经多年维持在数百人规模，2012年才扩张到千人，在有效控制人力成本的同时、保证了研发工作的高效率，“猎鹰9”火箭从方案论证到首飞，仅用了四年半时间。

埃隆·马斯克等SpaceX的高管层在监看火箭发射：典型的互联网公司风格

背黑锅你来，送死我去!SpaceX的抉择

SpaceX是NASA大力扶持，用来对抗ULA(发射联盟)的重要工具，NASA不仅授予SpaceX大量发射合同，还向其近乎无偿地转移了大量技术，并提供关键的设备、场所，帮助SpaceX研发、制造运载火箭和货运飞船，这种扶持力度之大，放在中国的体制下、甚至有国有资产流失+利益输送的嫌疑。但是这并不意味着SpaceX在技术上完全依赖NASA、吃NASA在过去几十年攒下的老本。相反，SpaceX很重视打造自己的技术力量、掌握核心和关键技术，进行了大胆的技术革新。在这个过程中，包括埃隆·马斯克在内的SpaceX公司决策层，表现出很好的“技术感觉”，有所为、有所不为，战略眼光精准、独到，赋予“猎鹰9”火箭诸多技术亮点。

在发动机方面，SpaceX没有去啃富氧燃烧、高压补燃循环这块硬骨头。SpaceX很清楚高压补燃循环发动机的技术难度，把突破点放在了另一个方面：减重。梅林发动机的原型，阿波罗飞船的降落发动机，本来就以高推重比为特点，SpaceX在研发过程中更是大胆采用了诸如爆炸成型工艺等新技术、新材料，在大幅度提高燃烧室压力、增加发动机推力的同时，减重30%，梅林1D发动机的推重比高达150。

Merlin1C(左)/Merlin1D(右)对比，后者的结构进一步简化

另一方面，SpaceX在箭体减重方面也下了很大力气，大胆使用诸如 2198铝-锂合金这样的新材料，并且在结构减重设计方面堪称冒进。例如，“猎鹰9”1.1版的级间段把分离机构从1.0版的九个减为三个，并且把火箭的长径比放大到19，这个设计可谓惊世骇俗。根据中国航天系统多年积累的经验，增大长径比有利于降低火箭的飞行阻力、减轻箭体重量，但是同时造成箭体纵向刚度不足、容易发生震颤、进而降低火箭的可靠性，所以长径比最好不要超过15——火箭纵向刚度不足带来的后果可能是灾难性的，“东风2”导弹首飞，就是因为纵向刚度不足、箭体发生震颤导致发射失败，教训十分惨痛。可以说，在箭体设计方面，SpaceX榨干了材料的潜力、颠覆了一系列火箭设计的经验公式，甚至带着一副“人有多大胆，地有多高产”的混劲来进行“赌博”式的尝试。但他们博对了，由此带来的好处也很明显，“猎鹰9”1.1版做到了高达30的干质比，箭体减重做到了极致。

“猎鹰9”火箭1.1版级间段，分离机构从1.0版的9个减为3个

美国国内现役几种主力火箭等比例对比图(缺战神系列)。“猎鹰9”火箭1.1版(左3)长径比达到19，人送外号“铅笔火箭”

对火箭公式有所了解的朋友应该知道，决定运载火箭性能的因素有两个：一是发动机比冲，二是火箭的干重。提高比冲、降低干重都可以提高火箭的运载系数。梅林发动机采用的燃气发射器循环限制了发动机比冲的提高，从较早的梅林1C到最新的梅林1D，燃烧室压力从1000psi提升到1420psi，海平面比冲仅仅从约266s提升到273s(推测值)，比冲提升的空间已经很小。但是，通过发动机和箭体的减重，“猎鹰9”用比冲指标落伍的发动机、实现了还算不错的运载系数，和“长征7”火箭相当。

年后即将试射的“长征7”。其发动机设计非常先进，但箭体构造却保守落后，以至于大大拖累了整体能力。未来，将有必要进行大刀阔斧的改进和升级，以挖掘其最大潜能

要知道“长征7”使用的YF100发动机可是高压补燃循环、富氧燃烧技术，海平面比冲301s，技术领先“梅林”整整一代，但是，因为箭体设计保守、加之发动机推重比不高(坊间传闻，YF100有超重问题)，“长征7”的干质比不高，潜力并没有被充分挖掘，运载系数仅仅和“猎鹰9”打了个平手，发动机的领先并没有转换成运载系数的领先，实在不太令人满意——这恐怕也是“长征7”将来需要大力改进提高的地方。

项庄舞剑——“醉翁之意不在酒”的一子级回收复用技术

行文至此，有一个结论已经跃然纸上：SpaceX的“猎鹰9”火箭，是一款使用货架产品+成熟技术，并且大胆运用新材料、新工艺，性能较好、成本控制非常成功的“经济适用性”火箭。但是SpaceX在2015年最吸引眼球的地方，并不是“猎鹰9”的技术成熟与价格低廉，而是它的一子级回收复用试验。虽然多次试射磕磕碰碰，只有一次陆上回收取得了成功，但是“猎鹰9”回收型所采用的主发动机减速+垂直回收模式无疑是开创性的，埃隆·马斯克更是频频放话，要凭借这个技术实现航天发射的“白菜化”，把单位质量发射成本降低1/20，震惊世界。对此，外界褒贬不一，心悦诚服、深信不疑者有之，半信半疑、谨慎观望者有之，更有人嗤之以鼻、认为这纯属嘴炮牛皮……那么，“猎鹰9”的一子级回收复用，真的能兑现埃隆·马斯克的豪言、颠覆国际航天发射市场的格局?或者，这根本就是“项庄舞剑，意在沛公”?

“猎鹰9”火箭一子级回收现场照片(到目前仅有的一次成功)。而马斯克则宣布，这枚子级不会复用……

根据目前披露的技术细节和相关数据，我认为，SpaceX并不是把“猎鹰9”的一子级回收复用当作忽悠，但是，也未必真的寄希望于大幅度降低发射成本，他们另有深远考虑。

第一，主发动机减速+垂直回收，符合“猎鹰9”的技术特点。它的一子级发动机单台推力适中，以节流降推力模式运行、正好可以给一子级减速、缓冲，辅以气动格栅翼+RCS+着陆支架，垂直回收是一个很合理的技术选择，在技术上没问题。以埃隆·马斯克本人追求挑战的个性、以SpaceX技术团队的锐意进取，他们一定非常喜欢这个具有开创性的好主意，哪怕仅仅是技术积累的角度，这件事情也值得做。

既不先进，也不强劲的9枚引擎，并联推动了一枚很不错的火箭

第二，“猎鹰9”一子级回收复用，在降低成本方面是否有巨大收益，高度存疑。要回收复用一子级，在一、二子级分离的时候，一子级必须保留相当数量的燃料，初步估算大约10%或者略少，这等于增加了很大的死重(数十吨)，再加上用于姿态控制而额外增加的子系统、着陆支架，一子级的干质量也会有明显增加。”猎鹰9“本来靠减重实现了还算不错的运载系数，这些增加的重量不仅吃掉了减重的成果、更是增加了大量一子级死重，必然导致酬载减少。粗略估计，LEO酬载有可能减少10%，也就是说，回收复用一子级、至少要节约540万美元，经济上才能收支平衡。

按照SpaceX自己公布的数据，“猎鹰9”一子级的制造成本大约1500万美元，复用一子级、必然要大修，真的能够节约540万美元?梅林发动机不是什么高端货，九台发动机大修后复用，能省下多少钱?“猎鹰9”的箭体本来就榨干了材料的潜力，回收后的箭体经历了低温、高温、震动和冲击的考验，出现材料疲劳和结构损坏的可能性很大，到底还能有多大的剩余价值?航天运载工具的回收复用是多年来全世界航天人的梦想，NASA的航天飞机早就做到了高价值部件回收复用，但是经济性却被证明纯属呵呵呵～还不如一次性使用的运载火箭呐!

理想丰满但现实骨干的典型——航天飞机项目。其重复使用对经济性的意义，被证明只能用“呵呵”二字来形容

第三，虽然一子级回收复用未必能降低发射成本，但也不一定增加发射成本。前面列举了一子级复用需要增加的子系统：姿控平台，气动格栅翼，RCS，着陆支架，这些东西并不会大幅度增加火箭的制造成本;“猎鹰9”也未必每次发射都能碰上恰到好处的酬载、把火箭的性能吃干榨尽，这种情况下，一子级回收复用损失的酬载、恰好消耗了这部分多余的运力。以上两点综合考虑，只要选择执行合适的发射任务，回收复用型的任务成本很可能和标准型火箭相差不大，也就是说，在验证和完善一子级回收复用技术的同时、不一定付出额外的经济代价。

第四，“猎鹰9”一子级回收复用技术，也许现在不能降低发射成本，但是将来有这个潜力。梅林发动机比较廉价，回收价值低，但是别忘了NASA的货架上还有SSME这样的高端货，更何况NASA也正在研制高压补燃循环液氧煤油发动机，如果哪天“猎鹰9”火箭、或者是SpaceX的其它型号火箭，用上了牛逼的发动机，一子级回收复用的技术经济性优势就很明显了。“未雨绸缪”，这句古话是很有道理的。

最后，一子级回收复用，对于SpaceX在资本市场的运作大有裨益。“猎鹰9”回收复用型火箭只需要保持一定的发射频次，就足以不断制造新闻话题，在资本市场制造一系列概念，SpaceX公司从中获得的利益是显而易见的——大家不要忘了埃隆·马斯克是啥出身，人家可是做风险投资发家的，公关和资本运作的技能点满格!

上述这些，就是SpaceX创造出“奇迹”的原因。而这却是一个只有在美国这种不正常的市场内才能实现的“奇迹”。

重型猎鹰项目，计划于今年首射。其并联多达27台发动机，很有可能接下苏联时代N1的大旗……

苏联时代计划用于其登月项目的N1超级火箭。照片从其壮观到几乎能诱发密集恐惧症的第一子级发动机喷管群方向拍摄。并联过多引擎，最终导致该火箭变得极不可靠，多次发射失败。最终，N1的失败也葬送了苏联的登月计划，也宣告了这种堆砌式的火箭模式的破产。40年以后，马斯克是否会重蹈覆辙?

然而现在，这个“奇迹”似乎有被透支的迹象——重型猎鹰项目，即将在今年试飞。

马斯克似乎已经习惯在特斯拉上堆砌锂电池的做法，打算彻底将这种办法用到火箭之上——重型猎鹰将由3支“猎鹰9”捆绑，这也意味着发动机数目将达到骇人的27台……

下一期，我们将就上述问题探讨一下SpaceX未来的隐忧。更将汲取其先进思想，联系中国航天的现状，就我国的太空事业的现实问题做出探讨和展望。