如何不回收第一級火箭——15年的SpaceX歷程

最新 09-19

老馬說

「這不是爆炸，這是快速非計劃解體。」

伴隨著自由鍾進行曲的伴奏，獵鷹9火箭一個接著一個花式爆炸，化作絢麗的煙火，如果不看到上傳者為SpaceX的話，或許沒人會想到這是SpaceX官方製作的。視頻中首次公開了許多之前未見的獵鷹9爆炸和降落失敗錄像，自上傳至今已有超過2百萬的播放量，毫不誇張的說，這全長僅2分08秒的視頻既是獵鷹9也是SpaceX血淚史的縮影，而更沒人會想到馬斯克所說的SpaceX失敗合集會以如此充滿自嘲的形式誕生。

2002年5月6日當一個名叫「太空探索技術公司」的企業在加利福尼亞埃爾塞貢多市的一座倉庫里成立時，恐怕兩位創始人馬斯克和穆勒都不會想到15年後SpaceX會徹底改變商業航天發射市場格局。在美國人的語言習慣中，如果一項技術太複雜，常會以rocket science（火箭科技）來指代，因而當SpaceX作為私人航天公司宣稱目標在於降低太空運輸成本以讓火星殖民成為可能時，絕大多數人都認為馬斯克是在妄想。不過終歸會有人願意嘗試新東西，SpaceX起步的第一個投資者便是以亂嘗試投資新事物而出名的美國國防部國防高等研究計劃署（DARPA）。

自帶創業Buff的加州倉庫，紅箭頭所指的這個看上去像忘記吃藥的31歲青年人便是SpaceX創始人兼CEO馬斯克

SpaceX一切的起源（獵鷹1運載火箭的「藍」圖）

在投資大約9百萬美金並耗時4年研發後，SpaceX的第一款火箭獵鷹1在DARPA的資助下於2006年3月25日發射升空。此款僅21.3米高，直徑1.7米的小火箭採用了SpaceX自行研發的梅林-1A引擎，目的在於向NASA展示SpaceX的火箭具備進入太空軌道的能力，以獲得NASA的投資。其實早在1990年NASA便有計劃贊助商業航天公司，隨著2003年哥倫比亞號太空梭的事故和隨後預定的太空梭退役，NASA迫切需要商業航天公司來擔任美國對國際空間站的補給工作。2006年1月18日NASA「商業軌道運輸服務」（COTS）項目正式成立，而在僅2個月後獵鷹1火箭便發射升空，意圖非常明顯。

由於對獵鷹-1安全性的擔心，發射場設在了馬紹爾群島中的誇賈林環礁

載荷也是美國空軍學院學生建造的FalconSAT-2等離子體觀測衛星，發射失敗了也無傷大雅

然而……獵鷹1火箭的前三次發射全部以失敗告終，DARPA也在兩次連續發射失敗後撤資。出於對安全性的考慮，SpaceX不得不在原計劃第四次發射馬來西亞衛星RazakSAT衛星之前，先證明獵鷹1確實是火箭而不是大型煙花。而若這第四次發射也以失敗告終，SpaceX將趕不上NASA的COTS計劃提交截止日期，四次發射全部失敗的紀錄也不會被NASA青睞，那麼恐怕距離關門大吉也不遠了。

改變SpaceX公司命運的一次發射

2008年9月29日是一個值得紀念的日子，這一天首個由私人投資，研發，設計並建造的火箭獵鷹1號成功發射入軌，SpaceX等待已久的轉機終於來了。正是這次頗具意義的發射，讓SpaceX在僅3個月後的12月23日贏得了NASA的12次對國際空間站的補給任務合同。NASA在SpaceX上也可謂豪賭了一把，為獵鷹9火箭，龍飛船和發射配套研發提供了2億7千8百萬的研發資金，並承諾在首次發射成功，驗證火箭可行性後提供更多的研發資金。

商業軌道運輸服務（COTS）項目

2010年12月8日，獵鷹9 v1.0火箭成功將龍飛船發射入軌，NASA又為SpaceX注入了1億1千8百萬的研發資金，SpaceX也很給力的在次年的10月8日成為第一家成功將飛船送往國際空間站的私營公司（CRS-1任務）。就連馬斯克自己都在採訪中數次表示，若不是NASA在私營航天企業上的「豪賭」，獵鷹9的研發不會這麼快速順利，開始測試回收能力的獵鷹9v1.1更會是遙遙無期。而後的故事便如視頻中展示的那樣，有了NASA的「官方認證」和相比較其他航天發射公司較低的報價，商業公司開始購買SpaceX的發射服務，第一個吃SpaceX這隻「螃蟹」的公司中就包括了現在的老客戶美國的Orbcomm通訊公司和盧森堡的SES衛星通訊公司。由於發射公司只管衛星有無入軌，因而每次發射都等於免費給SpaceX測試第一級回收的機會，這才有了視頻中那一次又一次的花樣爆炸。就像一個在學習走路的小孩一樣，每一次摔倒都在逐漸積累經驗，最終成就了2015年12月22日的陸地回收和2016年4月8日的海上回收。

NASA的後續資金在2010年末的Demo1後便到位，2012年Demo2後正式標誌著獵鷹9可以「開張營業」了。

SpaceX近乎壓倒性的近地軌道發射價格優勢，這還是在美金因為匯率而有國際競爭劣勢的前提下（此圖報價略有爭議，主頁君注）

為何SpaceX的發射報價總能低於其他發射公司？很多的答案認為SpaceX通過回收第一級火箭來降低發射成本，其實這個回答並非完全正確。從衛星發射數量便能看出，早在2015年回收成功之前SpaceX的發射量便已在飛速增長，回收成功的2015年SpaceX占發射市場份額還略低於2014年。回收第一級毫無疑問會進一步降低發射成本，但這並非SpaceX打贏航天發射價格戰的根本原因。在SpaceX公司的諸多第一中，很少有人注意到還有一項不明顯的第一，那便是第一個完全沒有任何外在承包商的航天發射公司。

世界商業航天發射市場份額比例，SpaceX為最下方的藍色

各商業火箭衛星發射數量，阿麗亞娜-5火箭由於頻繁一箭雙星因此數量最多，小型立方星不納入數量統計（主頁君說：否則印度人肯定排第一了）

獵鷹9火箭除去發射的載荷外，箭體，整流罩，引擎以及火箭發射全部由SpaceX負責，整套研發製造發射流程中沒有任何承包商，高度的垂直整合才是SpaceX打贏價格戰的法寶。以阿麗亞娜-5和宇宙神-5為例，阿麗亞娜-5發射公司為阿麗亞娜太空公司，但箭體製造方為空中客車公司國防和太空部，核心級火神引擎則由斯奈克瑪公司研發製造，而宇宙神-5的箭體製造和發射公司均為聯合發射同盟（ULA），但核心級RD-180引擎購自動力機械科研生產聯合體（NPO Energomash）和普惠公司組成的合資公司，上面級RL-10引擎和AJ-60A固體燃料推進器則購自普惠旗下的洛克達因公司。由於每一個外在承包商都是相對獨立運轉的公司，都需要利潤來養活員工，因此產品售價都會一定程度上高於成本，而每一個承包商的加價都會最終匯總由客戶買單。如果把其他航天發射公司比作零售商，SpaceX則是批發商，沒有了承包商加價，發射價格自然會便宜許多。

宇宙神-5需要至少3個承包商合力建造

高度垂直整合的另一優勢在於方便SpaceX研發以及管理，從獵鷹9v1.0在2010年首飛開始，具備回收能力的v.1.1在3年後便首飛成功，進一步增加推力和運載能力的FT版也在2015年年末首飛成功，僅5年內FT的不回收運載能力以超過v1.0的兩倍並接近v1.1的兩倍，在不大幅度改變箭體外形的情況下，快速的性能提升在火箭史上都極為罕見。

從最左的獵鷹1到靠右的獵鷹9FT，總共用時僅7年

從v1.0到FT僅5年，性能便有了驚人的提升

另外SpaceX火箭發射和完善工作同時進行，因而第一級回收時獲得的大量數據可以快速反饋給工程團隊進一步完善獵鷹9，比如針對第一級在GTO返回時空氣摩擦產生的高熱量和高燃料消耗，研發中的獵鷹9Block 5將使用隔熱層保護引擎和箭體，使用更耐熱的鈦合金柵欄翼，以及優化箭體飛行控制系統以優化第一級返回時的攻角，讓箭體自身產生更多升力以降低燃料消耗。鈦合金柵欄翼在今年6月25日發射回收時便以完成首次測試，而這距離SpaceX首次成功回收第一級箭體僅過去了18個月，很難以想像這是總僱員僅6000人的公司的辦事效率。

有嚴重燒毀痕迹的鋁鋰合金柵欄翼

鈦合金柵欄翼「肉眼可見」發射前（左）和回收後（右）的優勢

回顧下SpaceX15年的公司歷程，不難看出從誕生之初便根據最終殖民火星的目標，設立了完全符合邏輯的諸多階段，因而雖一路艱難且需要頻繁抱「大腿」，但最終總能確保達到所定的階段目標。火星殖民需要降低發射成本，那麼就需要一個高度整合的公司以及可回收第一級的火箭，但高度整合和火箭回收都需要大量資金投入以同時開發引擎（梅林-1），火箭箭體（獵鷹9）和回收測試（SpaceX自製爆炸視頻），那麼就需要抱住NASA的「大腿」讓NASA願意在SpaceX身上「豪賭」一把，但要說服NASA則必須要證明SpaceX有能力把物體送入近地軌道，那麼就需要先發射一個採用部分技術的小號火箭，但小號火箭發射也需要投資，那麼就讓DARPA用航天測試資金投資，但DARPA投資要先有載具，那麼就先研發出一款能發射升空的火箭。一環接一環，環環相扣，造就了今日的SpaceX。

SpaceX的商業邏輯計劃，藍色部分隨著獵鷹9開始商業發射已經完成

現在有了可回收的火箭和高度整合的公司，SpaceX開始著手火星殖民的下一個步驟（上圖中橙色部分）。要殖民火星則先需要能把飛船送往火星的火箭，以及證明SpaceX能把人類安全送入太空並接回來，於是乎2011年重型獵鷹的概念首次誕生，並在2014年9月再次抱住了NASA的「大腿」，足足26億美金來研發龍2載人飛船。若一切順利，2017年11月SpaceX將會擁有現役運力最大的火箭，2018年6月SpaceX會成為第一個將宇航員送入太空的私營航天企業。恐怕SpaceX的每一個員工都清楚，這次從橙色到綠色的環環相扣，會有更大更多的挑戰。