可复用的航天运载器

关于航天运载器的复用，自苏联将人造地球卫星一号送入轨道以来，一直是航天界最伟大的畅想之一，却长期只存在于畅想之中。

航天发射耗费不赀的最主要原因，就是天地往返平台的“一次性”特性。整体结构脆弱犹如鸡蛋，且受制于现有技术和基础理论的冷酷无情，那些耗费巨额公帑建造起来巍峨壮观的运载火箭，其真正的有效载荷仅有顶端“针尖”那么大的一点——通常不超过全箭起飞总质量的2%。而其余的98%，除去燃料和氧化剂部分，或者将烧毁在大气层中，或者最后化为残骸坠地。。

1969年，美国国家航空航天局曾以无比的雄心壮志，勾勒出一种伟大的可复用载人航天器的蓝图。那便是著名的航天飞机。1981年4月12日，第一架航天飞机“哥伦比亚”号成功发射，与其驾驶者宇航员约翰·杨（John W·Young）和克里平（Robert L·Crippen）共同揭开了人类航天史上新的一页。

计划在STS-1任务中发射的航天飞机“哥伦比亚”号矗立在发射台上进行测试和演练。照片摄于1980年12月

航天飞机是一种飞机与火箭的奇妙结合体。以“哥伦比亚”号为例，其机体长约56米，翼展约24米，自重68吨。虽然名为“飞机”，但航天飞机其实无法像飞机一样水平起飞。在发射时，它需要被固定在一个巨大的燃料罐上，同时由两枚可复用的固体燃料火箭助“一臂之力”。在起飞阶段，它与火箭的组合体重约2040吨，起飞总推力达2800吨，自重68吨，能装运36吨重的货物。它的核心部分轨道器长37.2米，大体上与一架DC—9客机的大小相仿。最多可载8名宇航员，根据成员数量，在轨时间可达7至30天。轨道器可重复使用100次（设计目标，未达到）。航天飞机集火箭和飞机的多项技术特点于一身。其发射时和火箭一样垂直升空，在完成在轨任务再入大气层以后，又刻意像飞机那样滑翔着陆。其堪称上世纪人类航天诸尖端技术的化身。

然而航天飞机究其原始意图——可重复使用，进而降低航天发射成本来说，却是一个十足的灾难。因为这东西虽然实现了重复使用的设计初衷，但高昂的维护费用却导致了更高的使用成本。

究其原因，问题是多方面的。

首先，航天飞机的机身设计虽理论上可重复使用百次，但每每在再入大气层经历过高温和剧烈震动后，最终降落后都必须对机身进行逐寸的检查。其次，为了保障航天飞机能够安然渡过灼热的减速过程，其覆盖于机腹呈黑色部分的两万余片隔热瓦。这种特殊的绝热材料先进但却昂贵。

其次，航天飞机为了实现轨道器复用，入轨死重很大：起飞质量超过2000吨、入轨质量近百吨，是一枚不折不扣的超重型运载火箭，可是轨道器死重足足68吨，LEO运力只有30吨出头，“哥伦比亚”号事故后，为了提高安全性，LEO运力进一步下调、被限制在20余吨。

与机身的麻烦重重相比，反倒是被称为SSME（天天飞机主发动机）的RS-25液氧\液氢火箭发动机可靠稳定。其被设计可重复使用50次。

航天飞机发射阶段照片。图为助推器从主体分离时的影像记录

航天飞机被设计可在2000公里以下圆形轨道上工作，也可进行同步转移轨道飞行。但由于使用成本和远远高于预期的出勤周期，美方并未让其执行过后一种任务。成本加上使用周期的双重问题，导致其最终无法和原计划的那样淘汰运载火箭。最终，因为安全性（两次乘员组全灭的灾难性事故）和成本高昂等原因，在远远没有达到“复用100次”指标的情况下，提前退役。

通过航天飞机的悲催生涯，人们很容易就能看出问题的实质：想要实现航天运载器的重复使用，高速再入大气层的问题是最大的瓶颈。一旦运载器获得了足够的速度冲出了大气层，在以第一宇宙速度再入大气层的过程中，就必然要经历曾经让“哥伦比亚”号空中解体的高温、冲击和震动。另一方面，要尽量降低为了实现复用而付出的运力损失代价，否则，在经济上、复用是得不偿失的。

2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机于STS-107任务（航天飞机总第107次任务）中，由于机翼上隔热材料在起飞阶段遭意外损坏，于大气层再入阶段解体坠毁。机组人员全体殉难。图为解体后掠过苍穹的“哥伦比亚”号残骸

谈到这里，既然问题的核心已经明确了，那么究竟打算去怎么解决呢？SpaceX的答案是——不去解决，绕过问题！怎么绕过？不考虑航天运载器冲出大气层部分的回收问题，只回收速度较慢的第一级部分。

所以，我们最终的问题就是：怎么回收火箭的第一级？这种回收复用在经济上划算、可行么？

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