近年来，太空探索和利用的商业潜力再度被重视，随之而来的第一个问题是，怎么把更多的卫星、载荷送入太空乃至深空，而不用面临高昂的“宇宙快递费”？由SpaceX、Blue Origin领衔的非公有制企业们，把宝押在了可重复使用火箭上。

  从2013年10月，美国太空探索技术公司SpaceX首次将全门板的垂直起飞垂直降落（VTVL）技术应用于新研发的“蚱蜢”火箭（Grasshopper）上，使得该火箭在成功升空744米后准确降落到发射台上，标志着人类首次制造出可重复利用的火箭；再到如今，人类第一枚投入商用的部分可回收火箭“猎鹰1号”“猎鹰9号”，已经成功实现高频重复发射，极大地降低了发射成本。这些成就无一不代表着，人类太空探索从“使用一次即弃”的传统模式，逐渐向“可持续太空探索”的未来模式转变。

  实际上，对“太空梭”或称“航天飞机”的想象和研发可以追溯至上世纪六、七十年代——那个太空探索的黄金时代。不过等到线日，哥伦比亚号太空梭（Space Shuttle Columbia）首次发射，这是美国国家航空航天局（NASA）太空梭计划的首艘飞行器，也是世界上第一艘达到地球轨道的可重复使用航天器，标志着太空探索新时代的开始，尤其是在可复用航天技术方面。

  哥伦比亚号以及该计划的其他太空梭都由三部分所组成：轨道飞行器（可重复使用）、固体火箭助推器（部分可重复使用），以及外部燃料箱（单次使用，不可回收）。

  轨道飞行器是太空梭的核心部分，负责携带宇航员和有效载荷进入太空。它配备了热防护系统，可保护飞船在再入地球大气层时不被超高温烧毁，轨道飞行器在达成目标后，会像飞机一样着陆在跑道上，经过检查和维护后准备用于下一次任务；两个固体火箭助推器（SRB）在发射过程中为太空梭提供额外的推力，它们在使用后会从轨道飞行器分离，然后通过降落伞降落在海上回收点，以便再次使用；外部燃料箱负责储存为主发动机提供动力的液氢和液氧燃料，发射过程中，燃料一旦被消耗完，燃料箱会从轨道飞行器分离，并在大气中烧毁。

  在1981年至2011年的三十年间，该太空梭计划执行了135次飞行任务，验证了部分太空硬件可重复使用的可能性，在发射卫星、科学研究以及与国际空间站（ISS）的建设过程中贡献良多。但它致命缺陷在于太贵，距离想象中的民航级运行成本相差甚远。

  光是发射前的准备工作，包括维护、燃料、地面支持设施运营等就已经是“无底洞”。根据1999年NASA的数据，太空梭如果每年发射七次，则平均每次的发射成本在5.76亿美元左右，远高于最初预计的3000万美元。每一次飞行后的“全身检查”，更是异常复杂且成本高昂，尤其是热防护系统的检查和修复工作。加之太空梭的地面支持和运营团队，使得整个太空梭计划的年度经营成本高达数十亿美元。

  成本高昂导致整个太空梭计划一年能发射个五六次就是极限了，与设计研发初衷背道而驰，这也是NASA后来寻求发展更经济有效载荷运送方式，以及探索低成本可重复使用火箭技术的原因之一。

  尽管暴露了诸多限制，但太空梭计划在技术上的突破，比如热防护系统，仍为后来的“可复用火箭”提供了技术参照和支持。

  现在我们能看到的可重复使用火箭构造大体一致，无论是中国民营火箭企业蓝箭航天还是SpaceX，它们的火箭一般都是两级构型：助推器为第一级，也就是火箭最下面一级，和装备了有效载荷的第二级。

  在发射任务中，一级助推器要提供火箭离开地面的主要推力，第二级则负责将有效载荷送到预定轨道。在部分可复用火箭的设计中，助推器要在分离后返回地球，通过一系列复杂的操作安全着陆，以便重新使用。火箭二级当然也被考虑过回收复用，只不过要增加额外的防热措施和推进剂，明显会降低有效载荷，更重要的技术挑战是怎么让它送完东西再回来？又该怎么找？

  考虑到二级火箭回收的技术难度太大，我们就先把关注度放在火箭一级助推器的回收上。总的来说，要想让火箭一级升空到分离高度（60-90公里）后再回来，要解决三个技术难点，一是姿态的调整，二是导航精确定位，三是安全着陆。

  在火箭一级分离后，需要执行一系列复杂的机动，姿态调整系统一定要能处理极其复杂的动力学环境，实现从高速飞行状态到安全着陆的精确转换，才能精确导航至预定着陆点。

  这一姿态调整系统要用到推力矢量控制（TVC）技术和反作用推进控制管理系统（RCS），分别对应的是火箭发动机和冷气推力反冲系统。

  在刚刚分离的时候，火箭一级一般是倾斜状态，这时候就要靠发动机燃烧实现增压回转（boost-back burn），也就是让其尾部朝下，准备垂直降落；RCS主要负责喷射氨气，从而进行精细化调整，以适应翻转和减速的需要。经过翻转和初步减速后，火箭一级开始重新进入地球大气层。在此阶段，格栅翼（grid fins）就该出现来控制火箭速度并保持平衡，剩下的就交给地吸引力。但是，火箭的速度肯定会慢慢的快，为了保证平稳落地，发动机还要再点燃一次，来保证精确平稳的落地。

  落在哪里也是一门学问。业内人士曾经形象地比较过陆地回收和海平面回收的技术难度，“在陆地平台回收，就好比扔一根铅笔飞越过帝国大厦，然后让其在暴风雨中返回落在一个鞋盒上。而海上回收，就好比让铅笔飞越过帝国大厦后，精准地落在一块漂浮的橡皮上面，而且还不能让它倒”。

  定点降落一般要依靠火箭上的惯性测量单元（IMU）与全球定位系统（GPS），IMU提供关于火箭速度、方向和姿态的实时数据，但是时间一长会有偏差；GPS则负责提供精确的全球定位信息，只不过跟卫星交换信息有一定延迟，有时甚至还要用到光学红外和电磁技术来保证精准降落。SpaceX选择同时利用包括航迹预测、动力学建模、控制优化等在内的先进算法，来实现精确控制。

  安全着陆则跟着陆器的设计有关，因为安全着陆的核心要求就是把降落时重量高达25-30吨的火箭一级稳稳地架住。现在的着陆器都是一次性耗材，只能保证火箭一级的完好无损。

  这三个技术难点是实现火箭一级回收必须要攻克的，但除此之外，我们还需要关注到在可回收过程中，怎么延长火箭发动机和箭身的常规使用的寿命，毕竟这与总成本息息相关。

  如上所述，火箭在发射、飞行、再入大气层以及着陆的过程中，会经受极端的温度、压力和力学负载，这会导致火箭箭身结构疲劳、材料劣化或别的形式的损伤，进而影响箭身的再常规使用的寿命。

  火箭发动机更是可回收过程中最贵的耗材。火箭发动机是高度复杂的机械系统，其在每次发射中都要承受极端的温度和压力，还要在着陆过程中多次点火，每一次再点火再燃烧都会影响发动机的使用寿命，特别是对涡轮泵和燃烧室等核心部件的影响。

  猎鹰9号的梅林发动机截至2023年6月的多个方面数据显示，每台最多也就实用15次，是不是比想象中要少？因此，发动机和箭身材料的选择与衡量也成为民营火箭企业关注的重点。

  火箭发动机是世界上最强大的发动机。以用于登月的土星5号火箭为例，它的一台发动机的热功率是3600万千瓦，推进功率为2400万千瓦，超过三峡电站满负荷发电的功率。每秒钟这台发动机需要消耗1.8吨液氧、790公斤的煤油。如何把这么多燃料送进燃烧室？这决定了液体火箭发动机的工作体制。

  所谓分级燃烧的意思就是燃料要燃烧两次，这是两个一起进行的平行过程。第一次燃烧又分两路，一路叫做富氧燃烧过程，燃烧大量液氧和少量甲烷，以便把液氧加热成气态的氧，燃烧产生的热量驱动涡轮带动液氧泵。

  另一路叫富燃燃烧过程，用大量甲烷和少量氧进行燃烧。这个燃烧的结果把液态甲烷加热为气态，产生的热量驱动涡轮再带动燃料泵。然后，富氧燃烧的尾气和富燃燃烧后的尾气，再进入发动机的主燃烧室进行第二次燃烧，再喷出去，产生推力。这种燃烧方式最大的优点就是所有燃料都能转化成推力，并且推力可以在大范围内调整。

  推进剂的选择对液体火箭发动机影响重大。目前，有毒的常规推进剂已处于逐步淘汰的过程中。无毒推进剂包括液氧/液氢、液氧/煤油和液氧/甲烷。液氧/液氢比冲最高，但密度很低，加之液氢成本高昂，通常用于上面级发动机。液氧/煤油和液氧/甲烷密度比冲高，适用于助推级、一级和二级发动机。

  大型液体火箭发动机推力室内温度高达3500K，一定要采用推进剂进行冷却，推进剂的冷却性能制约着发动机的可靠性、成本和寿命。甲烷的综合冷却性能是煤油的3倍以上。煤油更容易结焦，重复使用前有必要进行大量的清洗工作。甲烷回收后可快速蒸发，无需处理，24小时内可再次飞行。

  甲烷的沸点为112K，液氧沸点90K，相差较小，可以方便地采用共底贮箱减轻箭体重量。且火箭贮箱能够使用自生增压，减少相关成本。因此液氧/煤油更适用于一次性使用火箭，液氧/甲烷是目前重复使用火箭的发展趋势和最佳选择。

  SpaceX公司的Merlin 1D发动机使用液氧/煤油，但由于性能、重复常规使用的寿命、使用维护性等原因，该公司的后续型号Raptor发动机已改用液氧/甲烷。

  动力系统是航天运载器的核心组成部分，回收火箭子级不仅要求发动机具备多次启动、大范围变推力能力，还要求发动机必须做到并联工作精确可控、伺服机构/控制舵面着陆腿精细控制、燃料供应系统适应发动机着陆期间工作需求、高动态环境下精密导航制导与控制等，这些都要求崭新的技术支撑。另外，可重复使用发动机还需要保持比较高的减损控制率，否则在下一次使用前将有必要进行全系统的维修，这不符合可重复使用“快速、廉价”的初衷。

  就在前不久，蓝箭航天朱雀三号的验证火箭成功进行了“蚱蜢跳”（垂直起飞，原地回落）。朱雀三号除了使用液氧甲烷为燃料外还有一个特点是它采用了不锈钢箭体材料。因此，在SpaceX的星舰之后中国也有公司走上了不锈钢液氧甲烷运载火箭这条技术路线。

  不锈钢作为火箭的箭体材料其实并不是一项常规选项。星舰的不锈钢材料也是经历了多次失败才改良到现在的状态。在星舰也没能成功发射的当下，就做出这样的选择，的确是选择了一条充满挑战的道路。

  一直以来液体火箭的箭身材料普遍选择铝合金，目前铝合金材料大致经过了四代。

  第一代，铝镁合金，经典型号是5A06，其镁含量较高有出色的强度和硬度，抗腐蚀，焊接性能非常好。

  第二代，铝铜合金，经典型号是2A12、2A14，材料的抗拉和屈服强度（金属受到超过屈服极限的力后会永久变形，小于这个力会恢复原样）大幅超越第一代铝镁合金。但焊接性能不佳，焊缝脆性大，易产生裂纹，需要复杂的焊接工艺来弥补。

  第三代，如2219铝铜合金添加了更多的铜，未解决热裂问题又掺入了钛、钒等元素，使用了搅拌摩擦焊接工艺，解决了焊接方面的难题。

  第四代，2195、2198铝锂合金，通过加入锂在降低了密度的同时还能增加合金的强度和刚度，有很好的强度重量比，是当前技术条件下综合性能最优的选择，猎鹰9号就采用了2198铝锂合金。

  与铝合金相比，不锈钢最大的劣势就是太重了。因配方不同铝合金密度在2.7g/cm3左右，2198铝锂合金的比强度是0.15兆帕每立方米每千克。不锈钢的密度通常在7.7—8g/cm3，304不锈钢的比强度是0.03兆帕每立方米每千克。比强度越高表明达到相应强度所用的材料越轻，在同等强度需求下不锈钢要重3倍。

  美国阿特拉斯计划开发的洲际导弹首次选用了不锈钢作为燃料贮箱，不过这款燃料贮箱为了减重外壁薄到必须借助内部燃料的压力支撑才可能正真的保证自身不坍缩变形，被称为“气球舱”。

  首先它耐高温，这一优点对于可重复使用火箭来说很重要。火箭的上面级在再入大气层时迎风面要承受1000度以上的高温。

  铝合金熔点660度，但150度以上就会丧失其机械强度，必须加装隔热层，这样其本身轻量化的优势就减弱了。不锈钢在800度以上时强度开始降低，在配合特殊的大攻角弹道设计后，火箭的背风面就不需要任何热防护了，这也是你看到星舰上面级只有一半是黑色的TUFROC隔热瓦，另一半是完露的不锈钢的原因。

  其次它机械性能好，且耐腐蚀。其实星舰最初选择的材料是价格昂贵但比强度特别高的碳纤维，但是碳纤维的浸料会与液氧反应，需要在氧化剂贮箱内添加惰性衬底。而且星舰直径9米，为维持整体强度某些部位需要60到120层碳纤维，这不单是巨大的成本问题，还是巨大的施工工艺问题。同样的碳纤维在150度以上也会丧失机械强度，也必须加装隔热层。

  最初星舰使用301不锈钢，随着实验的进行，现在改进为添加了镍和铬的304L不锈钢，这个L表示是低碳版本的304不锈钢。目前的星舰不锈钢在抵抗腐蚀能力、焊接性能和热膨胀特性等方面都有了更好的表现。

  第三，目前星舰的不锈钢在零下150度的极低温条件下仍能保持12%到18%的延展性，这保证了在加注低温的液氧和液态甲烷后，材料不会变脆。在深空飞行时也能承受太空中的极低温。

  第四，把火箭尽量造得大一些也还是为了克服不锈钢的重量问题，这也是星舰直径9米，一级发动机从论证阶段的9台增加目前实际使用的33台的原因之一。

  第五，建造成本优势，不锈钢火箭可以在开放环境焊接，在露天环境下大批量组装。而且不锈钢非常便宜，碳纤维每千克成本约200美元，而不锈钢只需3美元。便宜皮实的特性非常切合未来星舰的密集航班发射。

  目前不锈钢火箭已经经过了低温加注、跨声速飞行、大动压飞行的考验，接下来只要证明其可以经受住返回再入时的高温考验，不锈钢火箭就能证明其可行性了。

  长征二号F遥十二运载火箭总设计师容易曾说过：“运载火箭的能力有多大，中国航天发展的舞台就有多大。”运载能力的意义最直观的体现就应该将更多更大的货物运送到太空，可以在单次发射的风险成本下实现空间站、行星际探测器、货运飞船等科学目标。

  按照近地轨道（高度不超过2000公里）运载能力来划分，我国的标准是小于2吨为小型火箭，2~20吨为中型火箭，20~100吨为大型火箭，100吨以上就是重型火箭。

  目前我国运载能力最大的民商运载火箭是东方空间技术（山东）有限公司自主研制的引力一号（遥一）运载火箭（由海澜之家赞助），起飞重量405吨，起飞推力600吨，近地轨道运载能力6.5吨，500公里太阳同步轨道运载能力4.2吨，属于中型火箭的范畴。引力一号将3颗卫星顺利送入预定轨道，这些卫星配置了GNSS掩星接收机、长波红外相机等载荷，可用于气象实况分析、数值天气预报、空间环境预警及重大灾害预警等研究及应用。

  目前，我国近地轨道运载能力最强的火箭是长征五号，达到了32吨，地球同步转移轨道载荷也达到了14吨，而它的第三次任务是2019年12月27日20时45分负责发射实践二十号卫星，这颗卫星是由中国航天科技集团五院抓总研制，是一颗新技术试验验证卫星，在轨验证我国自主研发的新一代大型地球同步轨道卫星平台“东方红五号”，也是目前我国研制的地球同步轨道卫星中发射重量最重的一颗，总重超过8吨。

  长征五号将卫星送至地球同步转移轨道，而后卫星利用自身携带的小推力高效发动机自主进入地球同步轨道（高度35786公里）。

  为了弥补猎鹰9号高轨运载能力不够的问题，重型猎鹰疯狂堆砌了27台梅林1D发动机无独有偶，北京时间2023年7月29日早上11:04，SpaceX的重型猎鹰火箭在美国佛罗里达州的NASA肯尼迪航天中心发射升空，上面搭载着人类航天史上最大最重的地球同步轨道商业通信卫星“木星三号”，其重量高达9.2吨，是有史以来人类制造的重量最大的卫星，这也建立在猎鹰重型火箭地轨道载荷63.8吨，地球同步转移轨道载荷26.7吨的技术水平之上，由此可见，火箭运载能力和卫星科研能力是两个不可分割的部分。

  需要注意的是，商业火箭与非商业火箭的区分有时候并没那么严格，例如长征二号丁就多次为长光卫星发射吉林一号系列商业卫星，但长征二号丁是非商业火箭。美国电子号曾为NASA执行ELaNa-19任务，也曾为美军执行STP-27RD任务，但电子号是商业火箭。

  火箭按照可重复使用，分为一次性使用火箭、部分重复使用火箭和完全重复使用火箭。一次性使用火箭很好理解，就是完成航天器发射任务后就不再回收并重复使用；部分重复使用火箭的部分动力构件可返回并重复使用，例如猎鹰9号的芯一级可回收，重型猎鹰的芯一级和助推器都可回收；而完全重复使用火箭就是全部返回并重复使用，比如蓝色起源公司的商业亚轨道（高度100公里，卡门线以上）可重复使用液体运载火箭新谢泼德号。

  可重复利用就从另一方面代表着成本的下降，而成本下降后进行航天测试就会变得更容易进行，为后续探索太空和外星移民打下良好的基础。以长征系列火箭为例，长征三号乙增强型的地球同步转移轨道载荷5.5吨左右，报价大约4亿元人民币，燃料中最贵的偏二甲肼大约25万元人民币/吨，液氢约10万元人民币/吨，其他的液氧和四氧化二氮都在1万元人民币/吨左右，估算下来整个火箭大约400吨燃料总价6000万人民币左右，再扣除发射场，测控，运输等费用，火箭本体的制造费用大概占单次火箭发射成本的65%~75%，所以，如果火箭可重复使用，就从另一方面代表着节约了火箭发射成本的一半以上，商业火箭公司必然会更侧重于可重复利用性，减少相关成本提高利润。猎鹰9号芯级回收的情况下单次成本约合人民币3.9亿元，不回收的线亿元。

  当然，有利便有弊，可重复利用的弊端就是影响火箭的载荷能力，以SpaceX重型猎鹰为例，不回收时它的地球同步转移轨道载荷有26.7吨，但如果要回收重复利用，就必须在返场、再入大气层和着陆时进行点火反推，需要额外安装栅格舵和氮气RCS方便姿态调整，这些额外的需求会导致运载能力一下子就下降至8吨左右。

  重型猎鹰的芯一级是选择海上着陆，再由无人回收船回收，而助推器则选择返回发射场附近的陆地着陆回收。这两种回收方式在猎鹰9号上都能轻松实现，海上着陆需要更少的燃料和时间，载荷较大，地球同步转移轨道载荷有5.5吨（不回收时载荷为8.3吨），而陆地着陆回收需要更加多的燃料和时间，载荷降低到3.5吨。

  可重复利用的航天之路还有一个发展趋势就是空天飞机，以波音研制的X37B空天飞机为例，尺寸约为航天飞机的1/4，重4989.5公斤，长8.8392米，翼展约4.572米，高2.926米，有效载荷在227~272公斤，使用一台A223火箭作为主推进器，通过运载火箭发射进入太空，在距地面177~800公里飞行，在轨道速度每小时28000千米，目前最长连续在轨时间达到908天，是一款更倾向于军事应用的产物。

  在空天飞机领域，我国也同样在不懈努力中，在2021年的珠海航展上，中国航天科工集团就展出了“腾云”空天运输系统模型，这是一种水平起飞和降落的完全可重复使用航天器。发射时，载机驮着航天器从地面机场滑跑起飞，在高空分离后，航天器在自身火箭发动机的推进下进入太空，载机则自行返回降落，航天器达成目标后也能再入大气层滑翔降落。

  与现有运载火箭相比，这种可完全重复使用的空天飞行器将极大降低发射成本低并提高发射灵活性。除此之外，2023年5月也官宣了“可重复使用试验航天器在轨飞行276天后，成功返回预定着陆场”的消息，实现了和波音X37B空天飞机类似的设计性能。

  空天飞机的优势是既能作为航天器在近地轨道上飞行，又能作为航空器进入大气层进行临近空间飞行，同时结束任务后还能自动返回地面。所以空天飞机就是可再利用的航天器，虽然其现阶段的成本也很高，但作为可重复利用民用航天器的一大分支，还是很有发展必要的，而且随着费用的逐步降低，使得太空旅行不再是少数富人的特权，同时还能进一步巩固国防安全。

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