這項移民太空的關(guān)鍵技術(shù)，中美進展如何？

文 | 李皙寅?翟芳雪，編輯 | 施智梁

只有讓火箭從一次性損耗品，變得可重復使用，這才能把向太空送人送物的成本顯著降下來

“火箭為啥看起來臟兮兮的，馬斯克這么缺錢嗎？就算不刷一遍油漆，也應(yīng)該洗一洗。”在一次“獵鷹9”火箭發(fā)射的視頻下，有網(wǎng)友如此評論。

在業(yè)內(nèi)看來，這些看上去臟臟的痕跡，恰如一塊塊軍功章，是此前一次次發(fā)射成功的有效例證。

現(xiàn)有的大多數(shù)火箭都是“一次性”的易耗品，這使得向太空中配送物資的成本極其高昂，難以滿足人類大規(guī)模進入太空的需求，而運載火箭的可重復使用是降低發(fā)射成本的最重要手段。

以往的火箭一飛沖天后，逐漸會越飛越遠，直至消失在視野里……12月10日，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，出現(xiàn)了不同于往日的一幕：火箭騰空而起后，水平移動50米后，再穩(wěn)穩(wěn)地降落在目標區(qū)域。

這是北京星際榮耀空間科技股份有限公司（下文簡稱為“星際榮耀”）的雙曲線二號可重復使用液氧甲烷驗證火箭，在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心開展第二次飛行試驗任務(wù)，實現(xiàn)了可重復使用驗證火箭的復用飛行，這為中國商業(yè)航天掌握可回收技術(shù)打下基礎(chǔ)。

打造能夠重復使用的火箭，是一場系統(tǒng)性的挑戰(zhàn)。星際榮耀液體型號總設(shè)計師季海波告訴出行一客（ID:carcaijing），不同于傳統(tǒng)一次性的火箭，為了保障可重復使用火箭能夠低成本、快速地實現(xiàn)復用，在火箭方案階段，就需要在火箭硬件、軟件設(shè)計上，做到充分的測試性和維護性設(shè)計，并規(guī)劃好能夠復用的一系列檢查、測試和維護標準，建立一整套針對已回收火箭的檢測、評估和維保體系。

商業(yè)航天發(fā)展到了今天，業(yè)內(nèi)競爭的關(guān)鍵點已經(jīng)從能不能把火箭打上天，轉(zhuǎn)變成了如何降低入軌成本，保障足夠運力，并具有足夠的飛行可靠度，本質(zhì)上是要比拼服務(wù)的階段。

目前商業(yè)航天發(fā)展的阻礙，恰恰就是高昂的發(fā)射成本。在鼎暉百孚合伙人劉尚告訴出行一客（ID:carcaijing），和所有的運載工具一樣，火箭必須降本，降低讓衛(wèi)星上天的成本，進而降低衛(wèi)星運營商的成本，加快衛(wèi)星組網(wǎng)的速度，讓消費者能夠更快更省地用上衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，最終讓整個商業(yè)航天的商業(yè)邏輯早日閉環(huán)并運轉(zhuǎn)起來。

如何讓包括火箭在內(nèi)的各種航天器，實現(xiàn)可重復使用，是國內(nèi)外商業(yè)航天追求最高投入產(chǎn)出比的必經(jīng)之路。當“臟兮兮”的火箭越來越高頻地發(fā)射成功之時，如同大航海時代一般的星際移民時代，也將越來越近。

為啥一定要搞可回收技術(shù)？

此次飛行，星際榮耀成功解決了垂直回收的“最后一公里”任務(wù)中，復雜的氣動力、熱干擾、高精度穩(wěn)定著陸等多項關(guān)鍵問題，中國商業(yè)航天在液體運載火箭的可重復使用技術(shù)能力上取得了重要突破。

在11月2日，雙曲線二號驗證火箭，剛完成了首次垂直起降飛行試驗，首飛完成后，星際榮耀在僅二十天的時間內(nèi)便完成了火箭的重復使用維護檢測工作，再次轉(zhuǎn)場執(zhí)行重復使用飛行任務(wù)。

在中國科技新聞學會太空文化傳播青少年工作委員會委員王君毅對出行一客（ID:carcaijing）看來，雙曲線二號可重復使用液氧甲烷驗證火箭的成功發(fā)射的意義有三點：其一，火箭采用了真實的火箭發(fā)動機，通過二次試飛，驗證了發(fā)動機的可重復使用能力；其二，進一步驗證了回收算法，特別是近地面調(diào)整算法；其三，在飛行試驗環(huán)境中驗證了發(fā)動機的推力深度、可調(diào)能力。

打造可重復使用火箭是一項系統(tǒng)工程。比如，雙曲線二號火箭采用的焦點一號可重復使用深度變推力液氧甲烷發(fā)動機（代號JD-1），能夠在檢測后實現(xiàn)快速復用飛行，主要得益于火箭的發(fā)動機采用了液氧甲烷推進劑。

根據(jù)使用推進劑的不同，火箭通?？煞譃楣腆w火箭和液體火箭。相較于固體火箭，液體火箭具備比沖高、推力可調(diào)、可多次啟動等優(yōu)點，是可回收運載火箭的更優(yōu)選擇。

季海波對此介紹稱，這說明了液氧甲烷作為推進劑具備低成本、簡單維護、獲取方便的天然優(yōu)勢，是打造可重復使用火箭的可行路徑之一。

通過可回收技術(shù)，火箭單次發(fā)射衛(wèi)星的成本將大幅度降低。

傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)射后，火箭價值最高的一子級往往在大氣層內(nèi)燒毀，造成了巨大資源浪費。有的燃燒不完全，還可能對地面造成安全隱患。相比之下，在完成任務(wù)后，可重復使用火箭能夠安全回收一子級，，經(jīng)過維修后再次發(fā)射，大大降低了發(fā)射成本。如果能夠再回收二級，那么可重復使用火箭的成本將進一步得到降低。

作為商業(yè)火箭的代表SpaceX獵鷹9號，全新火箭成本在5000萬美元左右，而回收后一級和整流罩后復用火箭的單次發(fā)射成本僅在1500萬美元，僅為全箭的30%，如果未來實現(xiàn)液氧甲烷和二級可回收后，成本將會更低。馬斯克透露，未來的星艦每千克的運輸成本可能低于200美元。

一旦可重復技術(shù)變得成熟，將給整個商業(yè)航天帶來關(guān)鍵性突破。維洲科技創(chuàng)始人、中國宇航學會會員姚明華對出行一客（ID:carcaijing）解釋稱，此前，因為要覆蓋一次性火箭的成本，導致衛(wèi)星發(fā)射代價很高昂，一旦可重復火箭功能成熟，就可以按照單顆衛(wèi)星的重量來“按斤計價”，有助于衛(wèi)星公司按照下游客戶的需求，定制開發(fā)；以后，像近地軌道遙感衛(wèi)星的發(fā)射，可能會像乘出租車一樣方便快捷。

量變還將產(chǎn)生質(zhì)變，這將極大地擴容整個上下游產(chǎn)業(yè)鏈，從航天材料到航天電子產(chǎn)品引發(fā)全面變革，從上游研制、發(fā)射，到下游運營、應(yīng)用，幾乎每一個環(huán)節(jié)都能創(chuàng)造千億級別的市場。

探路者馬斯克

如果要講可回收火箭，就勢必要提到馬斯克創(chuàng)辦的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）。作為可回收火箭領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，SpaceX創(chuàng)造了許多先例，其中最主要的是三個“首先”。

SpaceX是首家成功回收載人飛船的公司。他們于2010年12月8日成功將Dragon貨運飛船送達國際空間站，并在返回地球時成功收回。這一成就標志著私營公司在可回收載人飛船領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

2015年，SpaceX發(fā)射的“獵鷹9”火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角成功實現(xiàn)第一級火箭的軟著陸，從而開創(chuàng)了火箭從太空直接垂直回收的歷史，SpaceX成為首家成功回收火箭的私營航天公司。

據(jù)SpaceX官網(wǎng)介紹，“獵鷹9”是一款可重復使用的兩級火箭，也是世界上第一個軌道級可重復使用火箭，由SpaceX設(shè)計和制造，能夠可靠、安全地將人員和有效載荷運送到地球軌道及更遠的地方。

SpaceX還是首家成功將火箭回收到海上平臺的公司。他們于2016年4月8日成功將“獵鷹9”火箭的第一級降落在無人船上。這一技術(shù)突破使得SpaceX能夠在更廣闊的海域上進行回收，降低了由于回收帶來的運載能力損失，并提高了火箭回收的靈活性。

截至目前，SpaceX官網(wǎng)顯示，“獵鷹9”共發(fā)射280次，著陸238次，重復飛行次數(shù)213次。

與大眾直覺相反，由于火箭回收后可以對其進行飛行后的全面檢測，找到火箭上存在的薄弱環(huán)節(jié)，并有針對性對進行設(shè)計改進、優(yōu)化和維護，使其能夠更好地適應(yīng)飛行環(huán)境，因此，火箭的可靠性反而可能更高，季海波如是稱。如SpaceX的“獵鷹9”火箭，目前已經(jīng)成為了世界上最可靠的火箭之一，這其中，火箭回收后的檢測和有針對性的改進就起到了重要作用。

另外，除了“獵鷹9”，SpaceX還研發(fā)了人類史上最大的全重復使用運載火箭“星艦”。?它是目前人類研制時間最短、體積最大、動力最強的運載火箭。只是從今年11月18日的二次試飛失敗的結(jié)果來看，“星艦”的技術(shù)還需要進一步打磨。

商業(yè)航天企業(yè)中人，對于SpaceX的發(fā)展經(jīng)歷如數(shù)家珍，在接受《財經(jīng)》記者采訪時，他們普遍感慨馬斯克的敢想敢干，以及NASA長期以來通過訂單持續(xù)“投喂”，讓SpaceX走出了早期技術(shù)驗證的荒漠階段；同時也羨慕于SpaceX所處的資本市場對于前瞻科技受挫失敗的較高容忍度。

中國民營商業(yè)火箭公司已經(jīng)走過了九個年頭。到目前為止，已經(jīng)有五家企業(yè)實現(xiàn)了入軌發(fā)射。

這與中國對商業(yè)航天企業(yè)更大的扶持力度有關(guān)。2014 年，中央下發(fā) 60 號文件《國務(wù)院關(guān)于創(chuàng)新重點領(lǐng)域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》，允許對有興趣加入航天業(yè)的公司進行大規(guī)模的私人投資。

對于中國的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)來說，馬斯克和“獵鷹9”最大的好處在于，借助前者這樣的領(lǐng)頭羊，更清晰地向外界展現(xiàn)了商業(yè)航天的運行邏輯，從而讓中國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)獲得更好的成長環(huán)境。

稍早前，據(jù)外媒披露，以燒錢推進技術(shù)突破而聞名的火箭公司SpaceX，在今年初已經(jīng)扭虧為盈。根據(jù)內(nèi)部文件顯示，SpaceX在今年第一季度實現(xiàn)了15億美元的營收，并獲得了5500萬美元的凈利潤。這家公司在過去兩年里快速增長的營收是實現(xiàn)盈利的關(guān)鍵。2021年和2022年，公司的總費用分別為33億美元和52億美元。

馬斯克認為探索太空對于人類的未來至關(guān)重要。他指出，地球上的資源有限，而人類面臨著人口增長、資源短缺和環(huán)境問題等挑戰(zhàn)。只有通過探索太空，尋找新的資源和居住地，才能夠解決這些問題。

網(wǎng)上有人傳言馬斯克此前公布了SpaceX的部分相關(guān)專利，令人遺憾的是，由于諸多原因，航天技術(shù)難以實現(xiàn)業(yè)內(nèi)的共同分享，更不用提跨國別地應(yīng)用了，網(wǎng)上確實也查詢不到相關(guān)專利內(nèi)容。

季海波對出行一客（ID:carcaijing）直言，查不到馬斯克關(guān)于他火箭回收這方面的任何公開資料，只能看外觀，看到大致的構(gòu)型，但內(nèi)部細節(jié)是咱們看不到的，這塊全都是靠中國航天技術(shù)人員自己來摸索，自己一次次探索出來的。從技術(shù)到產(chǎn)品都是公司自主研發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)要掌握在自己手上，而關(guān)鍵技術(shù)我們要去突破，有坎我們要去闖。

最終目標，移民太空

當人類把浩瀚的藍星比作“地球村”時，征服太空的野心就昭然若揭了。

人類在星辰之路上步履不停，1957年首顆人造地球衛(wèi)星升空以來，人類不但已經(jīng)登上了月球，還將探測器送入了火星。

科學家們提出了很多建立太空城的幻想。美國科學家擬建的太空城，一種設(shè)計方案是一個旋轉(zhuǎn)的圓筒，可容納大約1萬名居民。另一種設(shè)計方案是輪狀的、供中心旋轉(zhuǎn)的太空城，明亮且溫暖如春。

馬斯克曾經(jīng)公開表示，他的長遠目標是把人類從地球移居到其他星球，并保證這一過程足夠安全、價格低廉。馬斯克說：“如果我們把每個人移居火星的成本控制在200萬美元左右，就可以開創(chuàng)一個大市場?！?/p>

為什么他們?nèi)绱藷嶂蕴找泼?？地球資源匱乏是最重要的原因。2017年5月，史蒂芬·霍金曾發(fā)表“世界末日”預言，警告人類必須在100年內(nèi)離開地球。

霍金解釋稱，由于地球正受到氣候變化威脅，自然資源也在迅速減少，將來人類進行太空旅行是不可避免的。他表示：“我們正在耗盡空間，唯一的方法就是前往其他世界?！?/p>

另外，太空中有大量的未開發(fā)資源，包括稀有金屬和太陽能?！禢ature》上有文章解釋，小行星上的金屬資源可能比地球上的所有已知儲備還要多。此外，太空太陽能電站可以在沒有大氣干擾的情況下收集太陽能，提供持續(xù)、可靠的電力。

從技術(shù)上來看，目前僅能實現(xiàn)公斤級的小重量物質(zhì)的回收，如果希望實現(xiàn)太空資源采集，則不但需要回收一級助推器，還要能夠回收返回艙，實現(xiàn)成熟的異星發(fā)射技術(shù)。

太空移民可以為科學家提供一個獨特的環(huán)境來進行研究。NASA認為，微重力環(huán)境可以幫助科學家更好地理解物理學和生物學的基本原理。

不僅如此，太空移民也可以幫助人類更好地理解地球的形成和演化，以及生命的起源。例如NASA的太空探索計劃，通過在太空中進行實驗和觀察，幫助人類更好地理解宇宙。

從商業(yè)和經(jīng)濟的角度來說，太空移民可以創(chuàng)造大量的機會。太空探索和開發(fā)能夠促進科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動就業(yè)和經(jīng)濟增長。

據(jù)美國太空行業(yè)組織——太空基金會發(fā)布報告稱，全球太空經(jīng)濟在2022年增長了8%，達到5460億美元，預計未來五年將再增長41%。另據(jù)歐洲咨詢公司發(fā)布的《太空經(jīng)濟報告2022》顯示，2022年全球太空經(jīng)濟總額達4640億美元，較上一年度增長8%。

然而，移民太空目前還只是人類寄托希望的風向標?！禨cience》指出，太空移民面臨著許多挑戰(zhàn)，包括技術(shù)難題、經(jīng)濟成本、生物適應(yīng)性問題和倫理問題等。

可重復使用技術(shù)，是人類大舉向太空的必要技術(shù)，不止是火箭，也同樣適用于飛船，而可回收飛船是實現(xiàn)太空移民的必要環(huán)節(jié)。

一方面是節(jié)約成本，傳統(tǒng)的一次性飛船在每次任務(wù)完成后都會被丟棄，而可回收飛船可以在完成任務(wù)后返回地球，經(jīng)過檢查和維修后再次使用。SpaceX的CEO埃隆·馬斯克曾經(jīng)表示，可回收火箭的使用可以將太空旅行的成本降低100倍。

另一方面，太空移民不能畢其功于一役，需要飛船頻繁往返。如果每次發(fā)射都需要建造新的飛船，那么發(fā)射的頻率將受到嚴重限制，而可回收飛船可以在短時間內(nèi)準備好再次發(fā)射，這對于太空移民來說尤其重要，因為需要在短時間內(nèi)將大量的人和物資送到太空。

馬斯克在采訪中提到，SpaceX的目標是實現(xiàn)火箭的快速可重復使用，以便能夠更頻繁地發(fā)射火箭。

此外，一次性飛船在使用后會成為太空垃圾，對環(huán)境和航天安全造成影響。有公開報道稱，仍有超過4500噸重的垃圾留在繞地軌道上，而可回收飛船可以減少太空垃圾的產(chǎn)生，更加環(huán)保。

中國科學院院士、中國載人航天工程總設(shè)計師周建平在接受采訪時表示，中國的載人航天工程也在研究可回收技術(shù)，以降低成本和提高效率。

無獨有偶，12月14日，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，一型可重復使用的試驗航天器，借助長征二號F運載火箭，成功發(fā)射。據(jù)新華社報道稱，該試驗航天器將在軌運行一段時間后，返回國內(nèi)預定著陸場，其間將按計劃開展可重復使用技術(shù)驗證及空間科學實驗，為和平利用太空提供技術(shù)支撐。

錯過“大航海時代”的中國人，決不能再錯過即將到來的“大航天時代”了，正如中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊所說，這是一場真正走向星辰大海的史詩征途。