去年獵鷹重型火箭首飛時(shí)，在地球附近飛行的紅色跑車和宇航員假人為其賺足了眼球。4月11日，SpaceX公司的獵鷹重型火箭的第二次飛行取得成功，將Arabsat-6A衛(wèi)星成功送入同步轉(zhuǎn)移軌道。

此次飛行也是獵鷹重型火箭的首次商業(yè)飛行，開(kāi)啟了這型火箭的商用之路。本次發(fā)射堪稱完美，除了成功將衛(wèi)星送入軌道外，兩個(gè)助推器和芯一級(jí)也全部成功回收。然而，本次發(fā)射也反映出了獵鷹重型火箭技術(shù)上的一些局限性——它并沒(méi)有一些人認(rèn)為的那樣神乎其神。

給衛(wèi)星續(xù)命不徹底

Arabsat-6A通信衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)為阿拉伯通信衛(wèi)星組織，這個(gè)組織有21個(gè)阿拉伯國(guó)家共同興辦，為阿拉伯地區(qū)國(guó)家提供通信衛(wèi)星服務(wù)。雖然“金主”是阿拉伯人，但這顆衛(wèi)星由美國(guó)公司設(shè)計(jì)制造，也由美國(guó)公司的火箭負(fù)責(zé)發(fā)射。

Arabsat-6A衛(wèi)星采用了洛克希德·馬丁公司的A2100衛(wèi)星平臺(tái)，重量為6.46噸，除了能為阿拉伯國(guó)家集中的中東地區(qū)提供服務(wù)外，還能為北非和東歐的部分地區(qū)提供服務(wù)。

（獵鷹重型火箭發(fā)射Arabsat-6A）

通信衛(wèi)星一般工作在赤道上空、距離地面36000公里的地球同步靜止（GEO）軌道上。在這里，衛(wèi)星繞地球自轉(zhuǎn)的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度剛好相同，衛(wèi)星可以相對(duì)地面保持靜止，從而可以連續(xù)的為某一特定地區(qū)提供服務(wù)，地面上的衛(wèi)星天線（也就是俗稱的“大鍋”）的指向在初次調(diào)好后就無(wú)需再做調(diào)整。

發(fā)射工作在這種軌道上的衛(wèi)星時(shí)，火箭首先攜帶衛(wèi)星進(jìn)入距離地面幾百公里的近地圓軌道上，并關(guān)機(jī)滑行。在滑行到合適位置后，火箭將再次打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)，將衛(wèi)星送入同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）上去。這是一條一端與近地軌道相連，另一端與同步軌道相連的橢圓軌道。

以往，在GTO軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)開(kāi)機(jī)加速、進(jìn)入軌道的操作一般由衛(wèi)星本身的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)完成，需要消耗衛(wèi)星攜帶的燃料。衛(wèi)星在軌工作期間，發(fā)動(dòng)機(jī)同樣需要消耗燃料對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道和姿態(tài)的維持，從而使衛(wèi)星始終處在正確的位置、天線始終朝向正確的方向。一旦燃料耗盡，即便衛(wèi)星其他器件都還能正常工作，衛(wèi)星很快也會(huì)因?yàn)樽藨B(tài)無(wú)法維持而退出服務(wù)。

衛(wèi)星攜帶的總?cè)剂鲜且欢ǖ模绻軌驕p少變軌過(guò)程中消耗的燃料，則能夠?qū)⒏嗟娜剂狭艚o在軌工作期間使用。據(jù)阿拉伯通信衛(wèi)星組織CEO在發(fā)射前透漏的信息，Arabsat-6A之所以選擇獵鷹重型火箭，是因?yàn)槠涓叩耐屏δ軌蚪o衛(wèi)星帶來(lái)更長(zhǎng)的壽命。

（本次發(fā)射的時(shí)間線）

今年2月，與Arabsat-6A配置基本一致的Saudi Geostationary Satellite-1/Hellas Sat-4衛(wèi)星由歐洲的阿麗亞娜5型火箭發(fā)射，其預(yù)計(jì)的在軌壽命能夠達(dá)到15年。而使用獵鷹重型火箭發(fā)射的Arabsta-6A，則被續(xù)命到了18-20年。近年來(lái)，使用能夠在軌道上長(zhǎng)時(shí)間工作、多次點(diǎn)火飛行的火箭上面級(jí)，直接將衛(wèi)星送入GEO軌道的發(fā)射變得越來(lái)越多。

例如，在部署北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的過(guò)程中，我國(guó)的遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)就多次執(zhí)行了直送GEO軌道的任務(wù)。而獵鷹重型火箭此次還是將Arabsat-6A送入了GTO軌道，從GTO向GEO的轉(zhuǎn)移仍需要使用衛(wèi)星本身的動(dòng)力，“續(xù)命”并不徹底。

實(shí)際上，SpaceX并沒(méi)有單獨(dú)研發(fā)上面級(jí)，獵鷹9號(hào)和獵鷹重型火箭基本相同的第二級(jí)能夠在軌道上較長(zhǎng)時(shí)間滑行和多次開(kāi)關(guān)機(jī)，在一定程度上具備上面級(jí)的技術(shù)特征。然而，也許是受限于第二級(jí)的技術(shù)水平，SpaceX目前還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)直送GEO軌道的發(fā)射。

（上面級(jí)是一種既具備火箭又具備軌道器特征的航天器，圖為遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)正在工作。）

魚(yú)和熊掌不可兼得

作為被一些人稱為“地表最強(qiáng)”的運(yùn)載火箭，獵鷹重型火箭的標(biāo)稱GTO運(yùn)載能力可達(dá)26.7噸。用這樣一顆能力巨大的火箭發(fā)射僅有6噸多重的Arabsat-6A到GTO軌道，似乎是大馬拉小車的能力浪費(fèi)。

然而，在實(shí)現(xiàn)助推器和芯一級(jí)全部回收的情況下，獵鷹重型火箭的GTO運(yùn)載能力將會(huì)銳減到8噸。也就是說(shuō)，“地表最強(qiáng)”的運(yùn)載能力和可回收重用的功能是魚(yú)和熊掌，不能在同一次發(fā)射中兼得。

目前，獵鷹9和獵鷹重型火箭的芯一級(jí)與助推器如果以回收重用的方式工作，在完成工作后，發(fā)動(dòng)機(jī)還要再點(diǎn)火三次，使其能夠進(jìn)入返回彈道，減速并最終在回收平臺(tái)上軟著陸。

因此，芯一級(jí)和助推器還要“私留”一些燃料用于返回地面。這部分燃料不但沒(méi)有將自己所蘊(yùn)含的能量用到發(fā)射載荷上，還需要占用火箭的起飛重量，從而減小了火箭在回收重用情況下的運(yùn)載能力。

同時(shí)，回收過(guò)程中用于控制火箭飛行的柵格網(wǎng)和與地面接觸的著陸腿等機(jī)構(gòu)，都需要額外占用起飛重量。在這些因素的共同作用下，火箭回收重用的代價(jià)就是運(yùn)載能力的降低。

（獵鷹重型火箭的兩個(gè)助推器最后一次點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)回首軟著陸）

獵鷹9火箭的GTO運(yùn)載能力，在不可回收與可回收的技術(shù)狀態(tài)下，分別為8.3噸和5.5噸，可回收功能的使用使其損失了約三分之一的GTO運(yùn)載能力。對(duì)于獵鷹重型火箭，不可回收與可回收的技術(shù)狀態(tài)下的運(yùn)載能力分別為26.7噸和8噸，可回收功能使得它損失了多于三分之二的GTO，可見(jiàn)對(duì)于獵鷹重型火箭，可回收功能對(duì)GTO運(yùn)載能力的影響更為顯著。

目前，獵鷹重型火箭的發(fā)射目錄報(bào)價(jià)為9千萬(wàn)美元一次，但這個(gè)報(bào)價(jià)是基于不啟用回收功能給出的。像本次發(fā)射這種助推器和芯一級(jí)全部回收情況下的報(bào)價(jià)，SpaceX網(wǎng)站并未給出，也沒(méi)有通過(guò)其他渠道對(duì)外公布。

從商業(yè)的角度看，如果可回收功能使得單位載荷重量的發(fā)射成本有所降低，那么這種技術(shù)就是有利可圖的。但對(duì)于獵鷹重型火箭，在GTO運(yùn)載能力因回收重用而損失較大的情況下，這一點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)就不得而知了。

（SpaceX網(wǎng)站上給出的發(fā)射火箭發(fā)射能力和發(fā)射報(bào)價(jià)，所有參數(shù)及對(duì)應(yīng)報(bào)價(jià)均是在火箭一次性使用、不回收的情況下給出的）

副總統(tǒng)的死命令，商業(yè)航天搞不定

前不久，美國(guó)總統(tǒng)彭斯公開(kāi)向NASA下了死命令：不管用什么方法，必須讓美國(guó)宇航員在2025年登月；如果NASA及其承包商開(kāi)發(fā)的“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）搞不定，那么就另請(qǐng)高明，讓其他商業(yè)航天公司去搞定。

（SLS的外觀效果圖，筆者個(gè)人覺(jué)得像是一個(gè)航天飛機(jī)助推器和土星5號(hào)的合體。）

在獵鷹重型火箭發(fā)射成功后，曾經(jīng)有一種聲音甚囂塵上：美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)表明，國(guó)家搞航天不行了，航天還是要讓私人企業(yè)干。然而實(shí)際上，無(wú)論是SpaceX出現(xiàn)之前還是之后，美國(guó)的航天工業(yè)都是由私營(yíng)企業(yè)從事的。

在NASA以傳統(tǒng)模式進(jìn)行的航天項(xiàng)目中，作為政府機(jī)構(gòu)的NASA主導(dǎo)設(shè)計(jì)方案和技術(shù)路線的確定，并確保航天器的安全和可靠性，但航天器的研發(fā)、制造、測(cè)試乃至發(fā)射操作中的具體工作，都會(huì)承包給波音、諾斯羅普·格魯曼、洛克希德·馬丁這些私營(yíng)的航空航天工業(yè)巨頭。

最終，制造出的航天器及其知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以及航天器的運(yùn)營(yíng)設(shè)施都屬于NASA，研發(fā)的全部預(yù)算也由NASA承擔(dān)。

而在SpaceX開(kāi)創(chuàng)的商業(yè)航天模式中，火箭和飛船的研發(fā)由企業(yè)主導(dǎo)，NASA可能會(huì)根據(jù)自己的需要選擇資助一部分研發(fā)工作，并訂購(gòu)企業(yè)的宇航產(chǎn)品，但相比于傳統(tǒng)的NASA兜底研發(fā)費(fèi)用的模式，這種模式的費(fèi)用是有限可控的，能夠激勵(lì)企業(yè)更好的控制成本。

無(wú)論在哪種模式中，政府機(jī)構(gòu)作為航天項(xiàng)目的核心用戶，都扮演著重要的角色。當(dāng)然，未來(lái)的航天商業(yè)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，但對(duì)于前瞻性、突破性的技術(shù)開(kāi)發(fā)，政府投資仍然是推動(dòng)型的力量。

（NASA商業(yè)載人航天計(jì)劃的首批宇航員。對(duì)于這兩種飛船，NASA只提供定額資助并為每次發(fā)射付費(fèi)，飛船的研發(fā)總成本由企業(yè)自行承擔(dān)。）

尷尬的是，就火箭來(lái)說(shuō)，目前美國(guó)的商業(yè)航天公司也拿不出現(xiàn)成的產(chǎn)品來(lái)響應(yīng)彭斯副總統(tǒng)的登月號(hào)召。獵鷹重型雖然目前是“地表最強(qiáng)”，但仍然不能進(jìn)入LEO軌道運(yùn)載能力在100噸以上的重型運(yùn)載火箭的行列，其運(yùn)載能力無(wú)法滿足登月需求。

同時(shí)，宇航員顯然不能直接坐在火箭上裸奔登月，必須有合適的飛船承載他們到達(dá)月球并安全返回。除去寫(xiě)在PPT上未被驗(yàn)證的愿景外，尚未進(jìn)行載人試驗(yàn)的載人型龍飛船只能承擔(dān)近地軌道飛行任務(wù)，而NASA已經(jīng)進(jìn)行過(guò)無(wú)人飛行試驗(yàn)的獵戶座飛船雖然具備進(jìn)行深空飛行和第二宇宙速度再入的能力，但其需要登月艙的匹配才能完成載人登月任務(wù)，而登月艙目前并沒(méi)有一個(gè)已經(jīng)公布的方案。

至于SpaceX的BFR火箭，不但采用了相當(dāng)具有爭(zhēng)議的31臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在第一級(jí)并聯(lián)的技術(shù)方案，作為一種箭船合一的新概念航天器，還無(wú)法與其他飛船通過(guò)技術(shù)成熟的方式兼容匹配。以近期SpaceX已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施裁員的經(jīng)營(yíng)狀況和BFR本身的試驗(yàn)進(jìn)展看，即便BFR最終能夠成功，時(shí)間上也很難趕得上副總統(tǒng)給出的deadline。

近年來(lái)，美國(guó)航天界雖然大新聞不斷，但博眼球的成分大于實(shí)質(zhì)上的技術(shù)突破成分。例如一拖再拖的SLS，助推器和芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)用的還是航天飛機(jī)使用的產(chǎn)品。而可重復(fù)利用航天器技術(shù)，則是在航天飛機(jī)的基礎(chǔ)上探究如何降低成本與提高可靠性。

在一定程度上，美國(guó)航天還在吃上世紀(jì)六十到八十年代的技術(shù)老本。在那個(gè)時(shí)代，在載人登月、深空探測(cè)、可載人多次便捷往返太空這些鮮明的目標(biāo)需求引導(dǎo)下，在穩(wěn)定而充足的國(guó)家投資下，國(guó)家主導(dǎo)的航天計(jì)劃不斷取得技術(shù)突破，使以前的不可能變成可能，奠定了美國(guó)在航天界的領(lǐng)導(dǎo)地位，使之后的航天應(yīng)用可以坐享這些技術(shù)突破帶來(lái)的產(chǎn)出。

商業(yè)主導(dǎo)的航天活動(dòng)雖然能夠讓這些技術(shù)產(chǎn)出創(chuàng)造出更多的商業(yè)價(jià)值，將航天技術(shù)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，但對(duì)于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和投資巨大的突破性目標(biāo)計(jì)劃，則缺乏內(nèi)在的研發(fā)動(dòng)力。

前不久，長(zhǎng)征九號(hào)重型運(yùn)載火箭的研發(fā)取得重要進(jìn)展，發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)試獲得成功。這是一型服務(wù)載人登月的重型火箭，其運(yùn)載能力與SLS、BFR等在同一量級(jí)。除了重載火箭外，中國(guó)航天還有一系列的技術(shù)瓶頸需要突破，才能真正使自己的航天技術(shù)達(dá)到世界頂尖而不僅僅是先進(jìn)水平。大洋彼岸航天發(fā)展的歷史行程，應(yīng)該非常值得我們參考。