本文來自微信公眾號(hào)：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids），作者：犀牛

想要省錢，但要先花很多錢，你干不干？

浩大的航天工程就是這么?。╯hao）錢的。

“太空”這兩個(gè)字筆畫不多，里外都透著昂貴的氣息。一枚造價(jià)不菲的火箭，使用一次就報(bào)廢了；更別說在精密復(fù)雜的航天工程中，稍有不慎就容易造成發(fā)射失敗，到時(shí)候更是白白浪費(fèi)。如果這些一次性的火箭能多次使用，不就省大錢了？

航天飛機(jī)就是在這個(gè)思路下應(yīng)運(yùn)而生的。從1981年~2011年的30年間，美國(guó)的5艘航天飛機(jī)共執(zhí)行了135次飛行任務(wù)，可重復(fù)性毋庸置疑。

但事與愿違的是，平均每次發(fā)射的費(fèi)用反而更高了，甚至高達(dá)15億美元左右。要知道一般“火箭+飛船”的送人發(fā)射成本也就1億美元左右。可是就算付出了高昂的維護(hù)費(fèi)用，也還是沒能避免1986年挑戰(zhàn)者號(hào)和2003年哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的嚴(yán)重事故，最終以退役收?qǐng)觥?/p>

美國(guó)的航天飛機(jī)——太空運(yùn)輸系統(tǒng)STS（Space Transport System）

盡管想省錢的航天飛機(jī)沒少燒錢，但重復(fù)利用的省錢思路依然很受追捧。比如現(xiàn)在名聲大噪的獵鷹系列火箭便是此中翹楚，也是目前現(xiàn)役火箭中唯一的可復(fù)用火箭。

其實(shí)早在航天飛機(jī)出道的年代，這樣的省錢計(jì)劃就不斷涌現(xiàn)。

1982年，英國(guó)宇航公司開始和勞斯萊斯股份公司（Rolls-Royce PLC，并不是那個(gè)出名的汽車公司）開始牽頭研發(fā)Hotol空天飛機(jī)，Hotol可以像飛機(jī)一樣從跑道起飛，直接進(jìn)入太空軌道，也可以像飛機(jī)一樣在跑道降落。因?yàn)橹型静恍枰獟伒羧剂舷?，所以這種單體直接進(jìn)入太空軌道的方式也叫做單級(jí)入軌。最初英國(guó)宇航公司預(yù)期Hotol的發(fā)射成本為航天飛機(jī)的20%。

Hotol 空天飛機(jī)模擬圖 @Nick Stevens Graphics

Hotol空天飛機(jī)能直上太空得益于它的發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的大氣層內(nèi)可以利用大氣的氧氣燃燒提供動(dòng)力，到達(dá)高層或進(jìn)入高速時(shí)就轉(zhuǎn)為一般的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模式，燃燒自帶的氧化劑來提供動(dòng)力。所以Hotol本身不需要儲(chǔ)存太多氧氣，故而機(jī)身大大減小，僅相當(dāng)于一個(gè)中型客機(jī)的大小，機(jī)身長(zhǎng)度大概只有美國(guó)航天飛機(jī)的一半。

但這個(gè)項(xiàng)目在1989年就終止了，究其原因，除了技術(shù)難度巨大，關(guān)鍵是太費(fèi)錢了，后續(xù)資金跟不上了。其實(shí)也不是沒人愿意出資。1985年，勞斯萊斯股份公司向美國(guó)尋求發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面的合作，而美國(guó)空軍也對(duì)該項(xiàng)目很感興趣。只是英國(guó)宇航公司和英國(guó)國(guó)防部擔(dān)心一旦和美國(guó)合作，將喪失該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)地位，同時(shí)又顧及和歐洲的長(zhǎng)久合作，所以就沒接美國(guó)的橄欖枝，試圖繼續(xù)在歐空局的框架下合作。

不巧的是，歐空局的成員國(guó)中心有靈犀的不多。不少成員國(guó)被50億英鎊的成本和最長(zhǎng)20年的開勸退，更別提法國(guó)還旗幟鮮明地反對(duì)，畢竟他們自家也設(shè)計(jì)了一款競(jìng)品——Hermes航天飛機(jī)。Hermes自1975年就開始設(shè)計(jì)，1987年由歐空局主持開發(fā)，這也意味著Hotol項(xiàng)目在歐空局失寵。Hermes航天飛機(jī)可以看成是大一號(hào)的美國(guó)航天飛機(jī)，不過和后者不同的是，Hermes發(fā)射時(shí)是安裝在火箭頂部。

Hermes效果圖（上）@ESA @Mark Wade，1987年建造的Hermes模型（下）@Pyperpote

同樣是因?yàn)槌杀具^高且技術(shù)目標(biāo)難以達(dá)到，Hermes項(xiàng)目止步于1992年。但歐空局也沒有完全放棄這一省錢思路，在2000年后繼續(xù)可復(fù)用太空運(yùn)載工具的研究——Hopper。Hopper曾有多個(gè)方案，包括水平起飛和垂直起飛，最終選擇了水平起飛的方式進(jìn)一步研發(fā)。德國(guó)牽頭制造了Hopper的原型機(jī)Phoenix，長(zhǎng)度不到6米，相比之下一個(gè)Hopper有7個(gè)Phoenix那么大。Phoenix于2004年進(jìn)行了滑翔測(cè)試，不過之后就再?zèng)]音訊，官網(wǎng)現(xiàn)在也打不開了……

Phoenix @ILA

Hotol項(xiàng)目雖然終止了，但它的技術(shù)積累并沒有浪費(fèi)。當(dāng)初Hotol的發(fā)動(dòng)機(jī)是建立在工程師艾倫·邦德（Alan Bond）的研究之上的，邦德也是Hotol項(xiàng)目的共同創(chuàng)建人。Hotol項(xiàng)目終止之后，他便帶領(lǐng)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的主要成員組建了新的公司REL（Reaction Engines Limited），在原來的基礎(chǔ)上研發(fā)佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)（SABRE）以及配套的云霄塔空天飛機(jī)（SKYLON），仍與當(dāng)初研發(fā)Hotol的目標(biāo)一致——實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌。

佩刀&云霄塔宣傳視頻 @REL

之前最大的難題之一是溫度控制，高速飛行時(shí)經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流能產(chǎn)生1000℃以上的溫度，但之前的技術(shù)很難把溫度降下來。而在2012年佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)做到了，其所用的強(qiáng)預(yù)冷技術(shù)可以在0.05秒內(nèi)將400千克/秒量級(jí)的空氣降溫1100℃。

佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)切換工作模式示意圖 @REL

因?yàn)檫M(jìn)展較為順利，項(xiàng)目從最初由私人資金支持，到后來歐空局、英國(guó)航天局、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室等的資金紛紛而來。2015年，佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)通過了美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的可行性評(píng)估，預(yù)計(jì)在2020年驗(yàn)證等比例縮小的佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試模型。如果順利，它將在2025年進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)。云霄塔空天飛機(jī)（SKYLON）設(shè)計(jì)的重復(fù)使用壽命可達(dá)200次，發(fā)射成本也大大降低，如果成功將是革命性的突破。

還記得當(dāng)年申請(qǐng)加入“Hotol群聊”，但沒被通過的美國(guó)嗎？被拒之后，美國(guó)在1986年啟動(dòng)了自己的單級(jí)入軌計(jì)劃——美國(guó)國(guó)家空天飛機(jī)（NASP）。1990年，該計(jì)劃中第一架研制的空天飛機(jī)被命名為X-30（羅克韋爾公司研制），但由于嚴(yán)重的技術(shù)問題導(dǎo)致項(xiàng)目失敗，最終于1993年被取消。

X-30圖模擬圖 

同一時(shí)期，美國(guó)還有一款可復(fù)用的單級(jí)入軌運(yùn)載火箭正在研發(fā)中，就是麥道公司研制的DC-X。DC-X是前期的測(cè)試機(jī)型，主要為了驗(yàn)證垂直起降的技術(shù)，所以箭身也只有原計(jì)劃的三分之一大小。在1993年進(jìn)行了第一次測(cè)試飛行，此后一共進(jìn)行了8次測(cè)試飛行，飛行的最高高度達(dá)到2500米。不幸的是，在最后一次測(cè)試中船體損壞，但賬面上沒錢維修了……

DC-X發(fā)射效果圖（左）和首次降落測(cè)試照（右）

后來在1996年，DC-X的技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了NASA，NASA建造了它的升級(jí)版——DC-XA。但它和NASA自家的冒險(xiǎn)之星（VentureStar）項(xiàng)目形成競(jìng)爭(zhēng)，而NASA將重心放在了后者身上，所以DC-XA在飛行測(cè)試了4次之后就沒有然后了。

冒險(xiǎn)之星模擬圖

冒險(xiǎn)之星就是沖著取代航天飛機(jī)去的。和航天飛機(jī)類似的是，冒險(xiǎn)之星也是垂直發(fā)射升空、像飛機(jī)一樣降落地面，優(yōu)勢(shì)在于冒險(xiǎn)之星沒有巨大的燃料罐和固體火箭助推器，且飛行中無人駕駛。最重要的是確實(shí)省錢，其衛(wèi)星發(fā)射成本預(yù)計(jì)只有航天飛機(jī)的十分之一。

航天飛機(jī)和冒險(xiǎn)之星的大小

然而冒險(xiǎn)之星也沒能冒險(xiǎn)成功。其等比例縮小的驗(yàn)證機(jī)X-33在測(cè)試時(shí)事故頻發(fā)，技術(shù)問題未能解決、成本又超支，最終該項(xiàng)目于2001年被取消。

反而冒險(xiǎn)之星的手下敗將DC-X，卻以另一種方式煥發(fā)了新生。藍(lán)色起源公司雇傭了為DC-X工作過的工程師，后來建造的新謝潑德火箭便是受到了DC-X的啟發(fā)。新謝潑德火箭是亞軌道火箭，主要用于商業(yè)太空旅游，在2015年的測(cè)試中成功從太空返回并垂直著陸。而該公司的可復(fù)用軌道火箭——新格倫火箭也已在研發(fā)中，目前已經(jīng)了拿下了不少太空發(fā)射訂單。

新謝潑德火箭起降方式 @Blue Origin

新謝潑德火箭垂直降落 @Blue Origin

在重復(fù)利用這條省錢道路上，最成功的航天項(xiàng)目莫過于美國(guó)spacex公司的獵鷹系列火箭。目前獵鷹9號(hào)發(fā)射一次的基本報(bào)價(jià)為6200萬美元，是市面上的較低水平，再加上獵鷹9的芯級(jí)回收已經(jīng)是家常便飯，價(jià)格還有很大的降價(jià)空間，只是目前沒有降價(jià)打折的必要。比如明天凌晨發(fā)射的獵鷹9號(hào)火箭，已經(jīng)是一枚經(jīng)驗(yàn)豐富的4手火箭了。

獵鷹重型火箭回收芯級(jí) @SpaceX

獵鷹火箭的技術(shù)并非全是spacex公司純自主研發(fā)，而是站在了前人的肩膀上。其最核心的發(fā)動(dòng)機(jī)材料、可復(fù)用飛船的隔熱材料等技術(shù)，都繼承自美國(guó)航天飛機(jī)。

所以，之前的種種嘗試，不論成功或是失敗，都不會(huì)白費(fèi)，沉淀下來的將成為未來揮動(dòng)翅膀的肌肉。或許，之前失敗的那些航天計(jì)劃也會(huì)在未來重新閃耀光輝。

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本文來自微信公眾號(hào)：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids），作者：犀牛