文/陈根
当前，太空旅行正在升温。亚马逊的杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos），维珍的理查德·布兰森（Richard Branson），以及特斯拉的伊隆·马斯克（Elon Musk）都成立了自己的太空旅游公司。这些私人公司正在努力创造一种新的太空旅行商业模式。马斯克甚至在英国伦敦皇家航空学学会演讲放言，在未来15年到20年，美国SpaceX公司计划将8万名地球人送往火星殖民。
理想是美好的，但目前来看，却离人们的生活依旧遥远，一张太空的门票就要高达5500万美元。并且，如果不能找到比较经济的方式从地球到达火星，人类在火星上定居也将无法实现。高昂的成本是比火星上空气缺乏、水源不明确等环境阻碍还要艰难的问题。而解决这一难题的关键之一，就是运载火箭。
如何打破太空旅游的昂贵？
运载火箭，就是能够将人造卫星、载人飞船、空间站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道的航天运输工具，由单级或多级火箭组成。
作为进入太空的运载工具，运载火箭是一切太空活动的前提和基础，也决定着载人航天工程的高度，没有大推力、高可靠、高安全的运载火箭，载人飞船就不可能进入预定轨道，航天员的太空活动也无从谈起。可以说，运载火箭的能力有多大，太空探索的舞台就有多大。
而所有太空产业要能够实现在商业上有利可图，或者说整个太空商业生态要想形成，都离不开运载火箭发射服务成本的降低。
2012年年底，马斯克在伦敦向英国皇家航空学院（Royal Aeronautical Society）做了一次演讲，主题是火箭科学技术。在演讲中，马斯克就重点阐述了冯·布劳恩在1952年提出的可重复使用的火箭的构想，火箭的可重复利用即使算不上人类实现火星生存的决定性因素，也将是极大改写太空旅行成本现状的关键。
马斯克注意到，发射一枚“猎鹰9号”火箭的总成本是6 000万美元，其中只有0.3%是燃料成本，因此他说：“如果‘猎鹰9号’火箭可以重复使用上千次，那么单次的飞行成本就可以从6 000万美元降到6万美元。这显然将是一个巨大的变化。”尽管“猎鹰9号”还无法承担哪怕只有一个宇航员的火星旅行任务，马斯克却借此说明了火箭的可重复利用将会对成本产生的不可思议的影响。如果火箭的可重复使用性不能实现，马斯克说：“那我们可能承受不起火星旅行的高昂成本，因为这是将全年国内生产总值的100%，还是0.5%投入其中的差别。”
2011年，在卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的一次演讲中，贝佐斯也表示，“蓝色起源”的目标是压低太空旅行的成本，并提高技术的安全性。他说，团队“努力降低太空旅行的成本，创建一个人类可以亲自探索太阳系的未来，随着时间的推移，缓慢、稳健的进展将会战胜我们所面临的挑战”。
传统运载火箭都是一次性使用运载火箭，发射服务成本很高，相当于“乘客”不仅仅要掏燃料费用，还需要买下整发火箭才能够完成发射。如果运载火箭能够实现回收并可重复使用，那么火箭本身的制造成本就因为可以多次使用被摊薄。其中的原理和航空业相似：乘客只需要掏燃料费用和维护保养费用，而不需要买下整架飞机。这样的出行商业逻辑，会让发射服务的价格大幅降低。
可以说，运载火箭是目前通往太空的唯一入口——但目前，运载火箭依然昂贵、流量很小，轻则千万，重则上亿，这就使得很多太空产业的商业模式无法成立，因此，商业航天突破的关键点，就在于低成本的商业运载火箭。只有当商业运载火箭能够将通往太空的流量做得足够大、足够便宜，很多太空产业的商业逻辑才能成立，太空旅游才会走向普通人。
独特优势的“猎鹰9号”
运载火箭的突破并没有让人们等太久。2015年12月21日，马斯克创立的SpaceX公司成功地在地面着陆垫上回收了火箭“猎鹰9号”的一级火箭。“猎鹰9号”的一级火箭是以自动垂直降落、借助可变推力发动机软着陆的方式实现回收，在回收应用技术上突破了很多难题。
一方面是着陆点精度高，需要控制在10米内。SpaceX通过打造遥控无人船作为浮动的海上火箭降落平台，在尽量控制火箭回收着陆点的同时，移动海上着陆平台来配合火箭。另一方面，SpaceX通过使用变推力发动机，使缓冲发动机的推力在不同高度能变化调节，可以更精确地控制火箭着陆时的姿态，避免了落地姿态不正容易倒下而毁坏火箭的问题。同时，“猎鹰9号”火箭体采用了新型复合材料，在保证较高强度的情况下进一步减轻了重量。
2015年年底的首次成功回收，是人类火箭技术发展的一个重要里程碑，也被《麻省理工科技评论》评为2016年十大突破性技术。
自2016年以来，SpaceX的火箭回收有了更多的成功例子，技术上也日趋成熟，从2017年1月开始形成了常规流程。到2018年2月，已经成功回收一级火箭17个，其中有6个是已经进行过重复回收的，共计23次重复着陆回收。随着连续多次回收成功，SpaceX开始专注于一级火箭助推器的快速重复使用。
在2017年和2018年已经有11个回收后的一级火箭被重复使用，证明了火箭二次使用的经济性。第5批次（Block5）的火箭在设计时就考虑了多次重复使用，在几乎不用检查的情况下最多可以重复使用10次，在翻新零部件的情况下最多可以使用100次。
可以说，“猎鹰9号”火箭是美国近年来发射频度最高的运载火箭，也是全球唯一常态化重复使用的运载火箭，各项数据不断刷新纪录。2021年实现了单一型号年度31次发射，入轨载荷总重345t，占全球发射质量的53%，平均单次发射载荷质量11.13t。“猎鹰9号”火箭一级回收成为常态，发射成功回收已超100次，其中有3枚一级箭体复用次数更是达到了13次。
“猎鹰9号”火箭凭借重复使用技术有效降低了进入空间成本，增强了其在发射服务市场定价的话语权，LEO轨道和GTO轨道发射服务公开报价约合人民币2.6万元/千克和7.8万元/千克，均低于美国同等能力一次性运载火箭。调研同时发现，其承担的军方和政府的项目平均价格比官网报价高约30%以上，这也反映出军方和政府对SpaceX公司的潜在支持。
不过，“猎鹰九号”还只有一级能够实现可重复使用，二级仍然是一次性的，只能算部分可重复使用火箭。当前，马斯克正在推进下一代运载火箭系统的研发，SpaceX的下一代运输系统“Starship”（星舰），则是一个一级和二级全面可重复使用的运输系统。这将真正意义上实现运载器的各部分全部回收、多次重复使用，能够真正实现运载火箭的发射服务成本大幅降低。
并且，这个“星舰”的规模足够大，起飞推力超过7 000吨，相当于一艘驱逐舰的排水量，真的可以把一艘驱逐舰推离地面。所以马斯克给它起的名字叫“ship”而不是“rocket”。这是人类有史以来最大的运载火箭，比“阿波罗计划”的“土星五号”运载火箭还要大。“星舰”的投入使用还将诞生更大规模的运输系统，移民火星也是有可能的。
航天领域的下一代技术
当然，专注于运载火箭可回收的也并不只是马斯克SpaceX一家。实际上，在马斯克的“猎鹰9号”实现回收的同一时期，Amazon创始人贝佐斯也创立了蓝色起源太空技术公司，专注于低轨道太空旅游领域，也是可回收火箭技术的重要推动者。
从2015年11月到2016年10月，蓝色企业的New Shepard2号火箭已经取得了5次成功发射和再回收。2017年年底，新型的New Shepard3号火箭带着新的载人舱在大气层飞到离地面100千米的高度并成功返回；2018年4月底，NewShepard3号火箭再次发射，并在亚轨道飞行后成功回收。
目前，各航天大国都已经加快或即将完成具有重复使用特征的运载火箭甚至重型运载火箭的研制，支撑本国航天活动向更大规模、更高频次、更远距离发展。
不过，我国运载火箭重复使用技术尚处于攻关研制阶段，距离工程化应用仍有较大差距，还需要尽快加大攻关力度和投入，加快突破以动力、控制等为代表的关键技术，推进重复使用的工程化应用。
可以预见，航天领域的下一代技术的发展方向就是全面可重复使用运载火箭的开发。值得一提的是，运载火箭也逃不开“北极熊”规律。动物界有个规律：北方的熊长得比南方的大，全世界体型最大的是北极熊。这背后的原因是，一个物体体积越大，表面积占比越低，这样北极熊散热就慢，在寒冷的北方更容易存活下来，于是自然选择的结果导致北方剩下的都是大熊。
运载火箭同样如此，火箭规模越大，外壳干重所占加满燃料的火箭重量的比例就越低，火箭的干质比（火箭不装燃料的“干重”与装满燃料的“总重”之比，干质比是影响火箭运载能力的一个重要指标）越优异，运载系数就越高，平均到单位重量的入轨成本就越低。
可重复使用运载火箭，意味着要预留返回的燃料和设备，相较于一次性使用火箭，可重复使用运载火箭的运载能力一定是下降的。这个运载能力损失比例需要控制在一定范围内，否则存在一个盈亏平衡点的问题，可回收将会失去意义。
因此，可重复使用火箭的规模一定不能小，越大的火箭在干质比方面越有天然优势，使得为回收火箭预留的推进剂、设备重量导致的运力损失能够控制在较小范围内，这也是为什么SpaceX放弃了“猎鹰九号”二级回收的开发，转而选择一个超大规模的火箭（“星舰”）来开发一二级全面可重复使用运载火箭的原因。
还是那句话，运载火箭的能力有多大，太空探索的舞台就有多大。超大规模的完全可重复使用火箭运载器的出现，这将会彻底改写人类航天业的经济账本，真正打开通往太空的流量，太空商业时代才会真正来临。
