火箭复用的颠覆式创新，SpaceX如何做到的？

2021年6月17日，猎鹰9号发射GPS III SV05 |来源：NASA。

12月21日是太空中许多标志性。。被记录下来的日子。1968年的这一天，阿波罗8号发射升空，开启了人类首次飞出地球轨道的绕月之旅。2015年的这一天，猎鹰9号第一级火箭垂直降落在着陆区。

它标志着世界上首次轨道发射火箭的陆地回收；2021年的这一天，猎鹰9号一级火箭垂直降落在一个只有足球场大小的海上平台上，这也是SpaceX有史以来第100次回收火箭。

作者|程一志(航天科普作家)编辑|迪李惠

从1到100

重复使用78回收火箭；通过充分重复使用火箭飞船，率先实施载人航天(Crew-2任务)；突破性实现一箭11飞11次回收(一级火箭编号b 1051.11)；从2017年火箭第一次重复使用到2021年底，

重用被践踏的“坑”

图2 2018年2月6日，世界上最强大的火箭“重型猎鹰”首飞，两枚侧翼火箭同时回收并降落在着陆区|图片来源：SpaceX官方照片如果说火箭是人类征服太空的巴别塔，

然后可重复使用的火箭曾经是一个近乎科幻级别的太空梦。早在20世纪60年代末，航天先驱们就开始构思完全可重复使用的航天发射系统。由于航空航天没有分离，

人们很自然地首先想到借鉴航空工业——制造类似飞机的可重复使用的空间飞行器，这成为最直接的反应。十几年后诞生的美国航天飞机和苏联“暴风雪”号航天飞机就是这种思想的产物。然而，想法很美好，现实很残酷。

研究、维护和运行的成本太高，试图通过更高的无线电频率来降低发射成本的想法过于乐观。航天飞机最终没能达到降低发射成本的目的。因为每次发射的成本高达5亿美元，而且发射次数越多，成本越大。

苏联的航天飞机只飞了一次。美国虽然飞了135次，却遭遇了两次灾难性的事故，最后不得不离开历史的天空，成为再利用太空史上的绝唱。随着航天飞机的问题不断暴露，NASA开始论证第二代航天飞机和航天飞机。

著名的美国国家空天飞机(NASP)和德尔塔快帆(DC-X)即将问世。美国国家空天飞机采用水平起降、单级入轨的技术路线，更接近飞行器的思路，但技术难度太大，单级入轨太理想。虽然三角形的快帆看起来怪怪的，

但设计更接近垂直着陆火箭(VTVL)，所以测试路走得更远。虽然三角快帆和空天飞机这两个项目因为种种原因半途而废，但是三角快帆作为探路者，为以后猎鹰火箭的回收开辟了一条新的道路。当然，

SpaceX从一开始就没有说到点子上。早在2010 ~ 2013年，猎鹰9号，1.0版本，已经测试过几次，证明降落伞回收是个坑。——采用降落伞回收，箭体和降落伞在再入大气层时容易破坏失控。恰恰相反，

同时并行测试的蚱蜢原型能够不断突破，最终进化成猎鹰9号回收火箭。直到2015年12月21日，梦想可能成真，SpaceX创下了世界上第一个轨道火箭陆地回收的壮举。有趣的是，

当时蓝色起源比SpaceX早一个月实现火箭回收，但新谢泼德火箭是亚轨道试飞，至今仍保持这种“龟速”状态。虽然猎鹰9号被成功回收，但这是SpaceX的第20次商业发射。

用一箭11星部署Orbcomm IOT卫星。两者的跳跃点从一开始就不在一个层次上。此外，与SpaceX竞争NASA货物补给订单的Kistler，

早些时候，我开始开发一种完全可重复使用的火箭，代号为K-1。设计回收思路：第一阶段利用气囊垫着陆。但这家公司短命，2010年破产。俄罗斯作为老牌航天大国，兜里没钱，但不乏创意。早在2007年，

马克耶夫设计局曾提出类似猎鹰9号的垂直着陆回收火箭(VTVL)，代号ROSSIYANKA，比SpaceX公司2011年发布的蚱蜢原型早了4年。可惜俄罗斯航天局有眼无珠，因为技术风险太大。

最终扼杀了发展的想法。

为何是SpaceX？

图3 2020年11月22日发射Sentinel 6，这枚编号B1063.1的崭新火箭从加州范登堡发射场升空，

几分钟后降落在不远处的陆地着陆区| 图源：Official SpaceX PhotosSpaceX之所以最终打通复用火箭路径，是诸多因素交互作用的结果。首先不可或缺的是主因。

SpaceX拥有一位不怕失败的灵魂人物。马斯克亲口说过的金句——“失败越多，就越可能接近成功。如果失败得不够多，说明你还不够创新。” 面对垂直着陆回收火箭这类科幻般的技术攻关，

如果没有主导者异常强大的抗压性、承受力，很难笑到最后。反观电商出身的贝佐斯，换到太空界却变得非常保守，不断告诫研发团队：“这是一场比赛，我希望是太空史上最安全的发射系统。

” 于是乌龟成了蓝色起源的吉祥物，凸显出贝佐斯的“龟速” 信条：你只有一次一步，才能更快到达。至于那帮老牌航天公司，无论是航天巨头还是国家队更是不敢当先，或者受困于体制，

或者被既得利益或者成就所绑架、拖累，哪有锐气和魄力去敢挑战技术创新？有的也只是亦步亦趋、跟着抄作业。此外，SpaceX创新力与执行力恰好匹配，最终才能把看似科幻级的垂直着陆回收火箭变成现实。

当初NASA设计复用发射系统时，假设的限制条件是“火箭的回归需要靠空气动力学的升力”，于是催生了外形类似飞机的航天飞机。可是机翼巨大而沉重，空气动力学的升力大小，又得视机翼尺寸而定。机翼越大，

虽然升力也越大，但在发射时也会增加重量、体积、阻力。考量到这些限制后，航天飞机发射系统最终被设计成一个不伦不类的折衷方案——配有一个附加在外的巨大油箱，而且只能使用一次，

航天飞机本身的滑翔能力也是相当有限。相反，SpaceX彻底改变了设计思路：不再考虑什么空气动力学的升力了，就靠火箭本身动力。其大胆之处在于需要重新点燃火箭发动机，挑战在于必须预留足够燃料，

来减缓火箭降速（燃料也很重，还不能保留太多），还得依靠精湛的控制系统，以便稳定着陆过程。一旦敲定整体设计思路，剩下来就是百折不挠的执行力、各个击破的创新力，最终得以实现敢为天下先的垂直着陆回收模式。

其实，SpaceX不管是垂直整合、技术创新、低价高效、成本管控，还是卓越的创新力加上罕见的执行力，早已被一遍遍反复检验过，因此才会成就如今太空领域的大赢家。

全球跟进

瞄准2024年首飞；蓝色起源（Blue Origin）试图打造新一代复用型火箭新格伦；联合发射联盟（ULA）希望通过火神火箭进入复用航天俱乐部；相对论太空（Relativity Space）正在研制的人族R（Terran R），

背景知识

回收火箭到底有多难？如果把猎鹰9号回收火箭比作一支铅笔，从发射到返回的技术难度，相当于让这支铅笔飞过帝国大厦头顶（103层，超过450米），

然后再精准落到一个只有鞋盒大小的着陆点！真实版的猎鹰一级火箭返航着陆阶段，质量约为27吨，箭高40米，相当于13层楼那么高，从80公里亚轨道飞回地球，经过3次发动机点火反推减速，

从5倍客机速度降到客机巡航速度，再降到高铁速度，最终降至。。快走速度，这样一个圆柱体大家伙完全依靠全自动化从天而降，直至精准着陆。猎鹰火箭是为了太空快递、轨道运输而生，采用两级火箭推进模式，

一级火箭可以产生最大推力170万磅（770吨），通常能够飞到80公里高度，再由二级火箭接力推进，最终运送有效载荷进入预定轨道。这期间，猎鹰9号一级火箭需要经过一系列复杂翻转操作，

才能垂直降落在陆地着陆场或者海上回收平台。一级火箭垂直回收过程包括：• 两级分离——一般在80公里高度的亚轨道，一二级火箭分离，一级火箭降落滑行。

• 翻转——利用液氮喷气推进器进行飞行方向翻转，发动机一端朝向地球。• 反推力——此时速度高达每小时4800公里（相当于普通客机巡航速度5倍多，接近4马赫），启动3个发动机，反推力减速。

• 展开栅格翼——减速到900公里/小时（相当于普通客机巡航速度），关闭发动机，栅格翼展开，利用升力减速、箭体姿态调整。• 第二次点火——降速再次加速时，启动中心发动机，直到减速降落，

再次关闭发动机。• 转动栅格翼——利用栅格翼产生升力，调整飞行姿态。• 第三次点火——距离着陆大约1公里时，一级火箭降落速度达到378公里/小时（相当于高铁时速），

第三次也是最后一次点火反推，启动中心发动机，减速到8公里/小时（相当于。。快走的速度），展开着陆架，同时利用液氮推进器+栅格翼进行姿态微调。• 垂直着陆——当发射升空大约8分钟左右，

一级火箭实现精准着陆。海上回收平台面积相当于美式足球场大小，比标准足球场小一号。

SpaceX如何才能复用火箭？简单来说分为如下七步：• 一级火箭实现软着陆、整流罩安全回收（整流罩受控海面溅落打捞回收；二级火箭目前不能回收复用）；• 陆路运输至德州麦格雷戈火箭测试基地进行复查、翻新、测试；• 对9台梅林发动机进行脱油清理，

制版编辑| 王乐佳