去年獵鷹重型火箭首飛時，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，兩個助推器和芯一級也全部成功回收。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)星的運營機構(gòu)為阿拉伯通信衛(wèi)星組織，這個組織有21個阿拉伯國家共同興辦，為阿拉伯地區(qū)國家提供通信衛(wèi)星服務(wù)。雖然“金主”是阿拉伯人，但這顆衛(wèi)星由美國公司設(shè)計制造，也由美國公司的火箭負(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，重量為6.46噸，除了能為阿拉伯國家集中的中東地區(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)好后就無需再做調(diào)整。

發(fā)射工作在這種軌道上的衛(wèi)星時，火箭首先攜帶衛(wèi)星進入距離地面幾百公里的近地圓軌道上，并關(guān)機滑行。在滑行到合適位置后，火箭將再次打開發(fā)動機，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軌道的遠地點開機加速、進入軌道的操作一般由衛(wèi)星本身的發(fā)動機來完成，需要消耗衛(wèi)星攜帶的燃料。衛(wèi)星在軌工作期間，發(fā)動機同樣需要消耗燃料對衛(wèi)星進行軌道和姿態(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)星很快也會因為姿態(tài)無法維持而退出服務(wù)。

衛(wèi)星攜帶的總?cè)剂鲜且欢ǖ?，如果能夠減少變軌過程中消耗的燃料，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，是因為其更高的推力能夠給衛(wèi)星帶來更長的壽命。

（本次發(fā)射的時間線）

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)計的在軌壽命能夠達到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，使用能夠在軌道上長時間工作、多次點火飛行的火箭上面級，直接將衛(wèi)星送入GEO軌道的發(fā)射變得越來越多。

例如，在部署北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的過程中，我國的遠征一號上面級就多次執(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)星本身的動力，“續(xù)命”并不徹底。

實際上，SpaceX并沒有單獨研發(fā)上面級，獵鷹9號和獵鷹重型火箭基本相同的第二級能夠在軌道上較長時間滑行和多次開關(guān)機，在一定程度上具備上面級的技術(shù)特征。然而，也許是受限于第二級的技術(shù)水平，SpaceX目前還沒有進行過直送GEO軌道的發(fā)射。

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

魚和熊掌不可兼得

作為被一些人稱為“地表最強”的運載火箭，獵鷹重型火箭的標(biāo)稱GTO運載能力可達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。

然而，在實現(xiàn)助推器和芯一級全部回收的情況下，獵鷹重型火箭的GTO運載能力將會銳減到8噸。也就是說，“地表最強”的運載能力和可回收重用的功能是魚和熊掌，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)動機還要再點火三次，使其能夠進入返回彈道，減速并最終在回收平臺上軟著陸。

因此，芯一級和助推器還要“私留”一些燃料用于返回地面。這部分燃料不但沒有將自己所蘊含的能量用到發(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載能力。

同時，回收過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就是運載能力的降低。

（獵鷹重型火箭的兩個助推器最后一次點火，實現(xiàn)回首軟著陸）

獵鷹9火箭的GTO運載能力，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運載能力。對于獵鷹重型火箭，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，可見對于獵鷹重型火箭，可回收功能對GTO運載能力的影響更為顯著。

目前，獵鷹重型火箭的發(fā)射目錄報價為9千萬美元一次，但這個報價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全部回收情況下的報價，SpaceX網(wǎng)站并未給出，也沒有通過其他渠道對外公布。

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。但對于獵鷹重型火箭，在GTO運載能力因回收重用而損失較大的情況下，這一點能否實現(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)射報價，所有參數(shù)及對應(yīng)報價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，美國總統(tǒng)彭斯公開向NASA下了死命令：不管用什么方法，必須讓美國宇航員在2025年登月；如果NASA及其承包商開發(fā)的“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）搞不定，那么就另請高明，讓其他商業(yè)航天公司去搞定。

（SLS的外觀效果圖，筆者個人覺得像是一個航天飛機助推器和土星5號的合體。）

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：美國的經(jīng)驗表明，國家搞航天不行了，航天還是要讓私人企業(yè)干。然而實際上，無論是SpaceX出現(xiàn)之前還是之后，美國的航天工業(yè)都是由私營企業(yè)從事的。

在NASA以傳統(tǒng)模式進行的航天項目中，作為政府機構(gòu)的NASA主導(dǎo)設(shè)計方案和技術(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、測試乃至發(fā)射操作中的具體工作，都會承包給波音、諾斯羅普·格魯曼、洛克希德·馬丁這些私營的航空航天工業(yè)巨頭。

最終，制造出的航天器及其知識產(chǎn)權(quán)，以及航天器的運營設(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可能會根據(jù)自己的需要選擇資助一部分研發(fā)工作，并訂購企業(yè)的宇航產(chǎn)品，但相比于傳統(tǒng)的NASA兜底研發(fā)費用的模式，這種模式的費用是有限可控的，能夠激勵企業(yè)更好的控制成本。

無論在哪種模式中，政府機構(gòu)作為航天項目的核心用戶，都扮演著重要的角色。當(dāng)然，未來的航天商業(yè)應(yīng)用會越來越多，但對于前瞻性、突破性的技術(shù)開發(fā)，政府投資仍然是推動型的力量。

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

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

同時，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月球并安全返回。除去寫在PPT上未被驗證的愿景外，尚未進行載人試驗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)進行過無人飛行試驗的獵戶座飛船雖然具備進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)，而登月艙目前并沒有一個已經(jīng)公布的方案。

至于SpaceX的BFR火箭，不但采用了相當(dāng)具有爭議的31臺發(fā)動機在第一級并聯(lián)的技術(shù)方案，作為一種箭船合一的新概念航天器，還無法與其他飛船通過技術(shù)成熟的方式兼容匹配。以近期SpaceX已經(jīng)開始實施裁員的經(jīng)營狀況和BFR本身的試驗進展看，即便BFR最終能夠成功，時間上也很難趕得上副總統(tǒng)給出的deadline。

近年來，美國航天界雖然大新聞不斷，但博眼球的成分大于實質(zhì)上的技術(shù)突破成分。例如一拖再拖的SLS，助推器和芯級發(fā)動機用的還是航天飛機使用的產(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。在那個時代，在載人登月、深空探測、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)定而充足的國家投資下，國家主導(dǎo)的航天計劃不斷取得技術(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)突破帶來的產(chǎn)出。

商業(yè)主導(dǎo)的航天活動雖然能夠讓這些技術(shù)產(chǎn)出創(chuàng)造出更多的商業(yè)價值，將航天技術(shù)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益，但對于技術(shù)風(fēng)險和投資巨大的突破性目標(biāo)計劃，則缺乏內(nèi)在的研發(fā)動力。

前不久，長征九號重型運載火箭的研發(fā)取得重要進展，發(fā)動機聯(lián)試獲得成功。這是一型服務(wù)載人登月的重型火箭，其運載能力與SLS、BFR等在同一量級。除了重載火箭外，中國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)達到世界頂尖而不僅僅是先進水平。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。