在马斯克做出可回收火箭前，有人已烧掉上百亿美元

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：犀牛，题图来自：视觉中国

想要省钱，但要先花很多钱，你干不干？

浩大的航天工程就是这么省（shao）钱的。

“太空”这两个字笔画不多，里外都透着昂贵的气息。一枚造价不菲的火箭，使用一次就报废了；更别说在精密复杂的航天工程中，稍有不慎就容易造成发射失败，到时候更是白白浪费。如果这些一次性的火箭能多次使用，不就省大钱了？

航天飞机就是在这个思路下应运而生的。从1981年~2011年的30年间，美国的5艘航天飞机共执行了135次飞行任务，可重复性毋庸置疑。

但事与愿违的是，平均每次发射的费用反而更高了，甚至高达15亿美元左右。要知道一般“火箭+飞船”的送人发射成本也就1亿美元左右。可是就算付出了高昂的维护费用，也还是没能避免1986年挑战者号和2003年哥伦比亚号航天飞机的严重事故，最终以退役收场。

美国的航天飞机——太空运输系统STS（Space Transport System）

尽管想省钱的航天飞机没少烧钱，但重复利用的省钱思路依然很受追捧。比如现在名声大噪的猎鹰系列火箭便是此中翘楚，也是目前现役火箭中唯一的可复用火箭。

其实早在航天飞机出道的年代，这样的省钱计划就不断涌现。

1982年，英国宇航公司开始和劳斯莱斯股份公司（Rolls-Royce PLC，并不是那个出名的汽车公司）开始牵头研发Hotol空天飞机，Hotol可以像飞机一样从跑道起飞，直接进入太空轨道，也可以像飞机一样在跑道降落。因为中途不需要抛掉燃料箱，所以这种单体直接进入太空轨道的方式也叫做单级入轨。最初英国宇航公司预期Hotol的发射成本为航天飞机的20%。

Hotol 空天飞机模拟图 @Nick Stevens Graphics

Hotol空天飞机能直上太空得益于它的发动机。这种发动机在较低的大气层内可以利用大气的氧气燃烧提供动力，到达高层或进入高速时就转为一般的火箭发动机模式，燃烧自带的氧化剂来提供动力。所以Hotol本身不需要储存太多氧气，故而机身大大减小，仅相当于一个中型客机的大小，机身长度大概只有美国航天飞机的一半。

但这个项目在1989年就终止了，究其原因，除了技术难度巨大，关键是太费钱了，后续资金跟不上了。其实也不是没人愿意出资。1985年，劳斯莱斯股份公司向美国寻求发动机技术方面的合作，而美国空军也对该项目很感兴趣。只是英国宇航公司和英国国防部担心一旦和美国合作，将丧失该项目的领导地位，同时又顾及和欧洲的长久合作，所以就没接美国的橄榄枝，试图继续在欧空局的框架下合作。

不巧的是，欧空局的成员国中心有灵犀的不多。不少成员国被50亿英镑的成本和最长20年的开劝退，更别提法国还旗帜鲜明地反对，毕竟他们自家也设计了一款竞品——Hermes航天飞机。Hermes自1975年就开始设计，1987年由欧空局主持开发，这也意味着Hotol项目在欧空局失宠。Hermes航天飞机可以看成是大一号的美国航天飞机，不过和后者不同的是，Hermes发射时是安装在火箭顶部。

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

同样是因为成本过高且技术目标难以达到，Hermes项目止步于1992年。但欧空局也没有完全放弃这一省钱思路，在2000年后继续可复用太空运载工具的研究——Hopper。Hopper曾有多个方案，包括水平起飞和垂直起飞，最终选择了水平起飞的方式进一步研发。德国牵头制造了Hopper的原型机Phoenix，长度不到6米，相比之下一个Hopper有7个Phoenix那么大。Phoenix于2004年进行了滑翔测试，不过之后就再没音讯，官网现在也打不开了……

Phoenix @ILA

Hotol项目虽然终止了，但它的技术积累并没有浪费。当初Hotol的发动机是建立在工程师艾伦•邦德（Alan Bond）的研究之上的，邦德也是Hotol项目的共同创建人。Hotol项目终止之后，他便带领发动机研发的主要成员组建了新的公司REL（Reaction Engines Limited），在原来的基础上研发佩刀发动机（SABRE）以及配套的云霄塔空天飞机（SKYLON），仍与当初研发Hotol的目标一致——实现单级入轨。

佩刀&云霄塔宣传视频 @REL

之前最大的难题之一是温度控制，高速飞行时经过发动机的气流能产生1000℃以上的温度，但之前的技术很难把温度降下来。而在2012年佩刀发动机做到了，其所用的强预冷技术可以在0.05秒内将400千克/秒量级的空气降温1100℃。

佩刀发动机切换工作模式示意图 @REL

因为进展较为顺利，项目从最初由私人资金支持，到后来欧空局、英国航天局、美国空军实验室等的资金纷纷而来。2015年，佩刀发动机通过了美国空军研究实验室的可行性评估，预计在2020年验证等比例缩小的佩刀发动机测试模型。如果顺利，它将在2025年进行发动机的飞行试验。云霄塔空天飞机（SKYLON）设计的重复使用寿命可达200次，发射成本也大大降低，如果成功将是革命性的突破。

还记得当年申请加入“Hotol群聊”，但没被通过的美国吗？被拒之后，美国在1986年启动了自己的单级入轨计划——美国国家空天飞机（NASP）。1990年，该计划中第一架研制的空天飞机被命名为X-30（罗克韦尔公司研制），但由于严重的技术问题导致项目失败，最终于1993年被取消。

X-30图模拟图 

同一时期，美国还有一款可复用的单级入轨运载火箭正在研发中，就是麦道公司研制的DC-X。DC-X是前期的测试机型，主要为了验证垂直起降的技术，所以箭身也只有原计划的三分之一大小。在1993年进行了第一次测试飞行，此后一共进行了8次测试飞行，飞行的最高高度达到2500米。不幸的是，在最后一次测试中船体损坏，但账面上没钱维修了……

DC-X发射效果图（左）和首次降落测试照（右）

后来在1996年，DC-X的技术转让给了NASA，NASA建造了它的升级版——DC-XA。但它和NASA自家的冒险之星（VentureStar）项目形成竞争，而NASA将重心放在了后者身上，所以DC-XA在飞行测试了4次之后就没有然后了。

冒险之星模拟图

冒险之星就是冲着取代航天飞机去的。和航天飞机类似的是，冒险之星也是垂直发射升空、像飞机一样降落地面，优势在于冒险之星没有巨大的燃料罐和固体火箭助推器，且飞行中无人驾驶。最重要的是确实省钱，其卫星发射成本预计只有航天飞机的十分之一。

航天飞机和冒险之星的大小

然而冒险之星也没能冒险成功。其等比例缩小的验证机X-33在测试时事故频发，技术问题未能解决、成本又超支，最终该项目于2001年被取消。

反而冒险之星的手下败将DC-X，却以另一种方式焕发了新生。蓝色起源公司雇佣了为DC-X工作过的工程师，后来建造的新谢泼德火箭便是受到了DC-X的启发。新谢泼德火箭是亚轨道火箭，主要用于商业太空旅游，在2015年的测试中成功从太空返回并垂直着陆。而该公司的可复用轨道火箭——新格伦火箭也已在研发中，目前已经了拿下了不少太空发射订单。

新谢泼德火箭起降方式 @Blue Origin

新谢泼德火箭垂直降落 @Blue Origin

在重复利用这条省钱道路上，最成功的航天项目莫过于美国spacex公司的猎鹰系列火箭。目前猎鹰9号发射一次的基本报价为6200万美元，是市面上的较低水平，再加上猎鹰9的芯级回收已经是家常便饭，价格还有很大的降价空间，只是目前没有降价打折的必要。比如明天凌晨发射的猎鹰9号火箭，已经是一枚经验丰富的4手火箭了。

猎鹰重型火箭回收芯级 @SpaceX

猎鹰火箭的技术并非全是spacex公司纯自主研发，而是站在了前人的肩膀上。其最核心的发动机材料、可复用飞船的隔热材料等技术，都继承自美国航天飞机。

所以，之前的种种尝试，不论成功或是失败，都不会白费，沉淀下来的将成为未来挥动翅膀的肌肉。或许，之前失败的那些航天计划也会在未来重新闪耀光辉。

航天工程的省钱（失败）之路，像不像你的减肥（失败）之路：想减肥却吃的更多了……

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：犀牛