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本文转自微信公众号“全球航天事件”，作者：GlobalspaceEvent。

本来本系列只计划写2篇的，但是为了把来龙去脉说清楚，还是分几期写吧。

由于目前已经退役的和在役的可复用太空发射系统都在美国，因此本文主要围绕美国，讨论航天飞机时代过后，是什么原因使可复用太空发射系统崛起，并将主流拉到垂直发射垂直返回（VTVL）的技术路线上来的。

由经验主义导致的技术路线僵化

在以SpaceX为代表的新兴航天企业发展之前，真正在工程上实现轨道级可重复太空发射系统应用的只有美国的航天飞机（Space Shuttle）和X-37空天飞机（Space Plane）。这两型航天器的共同特点是垂直发射水平返回（VTHL）。

这直接导致了可复用太空发射系统发展，基本滑向了垂直发射水平返回（VTHL）的技术路线上。前苏联建造了他们自己的也是唯一的一架空天飞机-暴风雪号，并在1988年进行了该航天器仅的一次无人轨道飞行。我国空天飞机第一次成功的亚轨道试验飞行发生在2021年7月（会在本系列后续的文章中展开）。

美国和前苏联空天飞行器首飞年份（其中两型HTHL飞行器均无法实现轨道级飞行）从左往右分别为美国X-15(HTHL亚轨道）、美国航天飞机(VTHL)、原苏联暴风雪号空天飞机(VTHL)、维珍银河太空飞船1号(HTHL亚轨道）、美国X-37空天飞机(VTHL)

你可能会疑惑，为什么上图中的美国军方X-15和维珍银河（Virgin Galactic）的“太空飞船一号（SpaceShipOne）”都只实现了亚轨道飞行，而美国太空军的X-37却实现了轨道飞行呢？

这个和它们的起飞方式有关，前2者都是通过载机（飞机）飞到一定的高度后释放，再通过自身的火箭发动机加速爬升，由于飞机给予的初速度和高度不够，自然只能实现亚轨道飞行了。而X-37是作为阿特拉斯V火箭的载荷，直接由火箭发射进入太空的，它的发射过程其实和卫星的发射是无异的，唯一的区别只在于它入轨后的空间机动能力并且能够水平返回地面罢了。

当时最有可能在VTVL发射技术路线上取得突破的“DC-X单级复用运载火箭”（见前文），除了与冒险之星X-33的竞争关系外，还有2个原因导致了该项目被取消：

① 所采用的单级入轨（SSTO）设计。这种设计如果没有一个上面级的支持是很难完成轨道级发射任务的。对于常规的轨道发射任务，能够送入轨道的有效载荷质量通常只占到发射总质量的2%左右，单级入轨意味着需要无端的把整个火箭的壳体送到了轨道级的高度。事实是飞不了那么高的，最多只能实现亚轨道飞行，就像蓝色起源（Blue Origin）的新谢泼德号（New Shepherd）那样 ；

② 多次启停的矢量发动机不够成熟，可能是另一个原因。

综上，通过工程应用和试错，当时人类的轨道级可复用航天发射系统，很快被僵化到了垂直发射水平返回（VTHL）的技术路线上来了。

创新突破的源头

人类真正实现可复用航天发射系统在经济性和技术上的双突破，要等到2015年12月SpaceX公司猎鹰9号火箭的一级助推器的第一次成功返回了。

促使商业公司加入航天领域，并选定垂直发射垂直返回（VTVL）的可复用航天发射系统技术路线，主要有3个原因：

• 美国航天产业政策的变化（根本原因）
• 有一个实现人类文明多星球生存梦想的马斯克（主要原因）
• 美国的航天飞机退役了，但是国际空间站美国人还要去（客观原因）

① 美国国家航天政策的变化

经过二战后特别是冷战时期的发展，美国的航天工业被几家航天巨头所垄断，成为美国“军工复合体”的一个重要组成部分。这带来的一个直接后果是缺乏创新，价格高企，进度拖延。

随着冷战结束，美国开始考虑将军用、民用和商业航天的管理分离，并从国家层面推动创建有竞争力的商业航天企业，以构建全新的航天工业基础。

美国的商业航天政策，主要从以下5个方面考虑：

• 增强航天工业的经济竞争力。随着冷战结束，美国国家顶层政策开始呼吁航天商业化，以创建有经济竞争力的航天工业基础。
• 打破由传统军工巨头把持航天的垄断体制。由于航天的高技术、高投入、和高风险，航天巨头纷纷采用强强联合的手段，形成了典型的寡头垄断市场结构，产生巨额的隐形垄断成本；
• 培育低成本、有创新能力的商业航天产业。NASA通过优惠贷款、投资补贴、和采购承诺等方式，支持充满活力和创新的新兴航天企业的诞生和成长；
• 发展近地轨道经济和地月经济。将技术成熟的近地轨道发射、运输、空间站建设和运营等逐渐转变为商业性活动，形成基于商业的具有自我支持能力的良性运营模式，将NASA的战略使命全面转向深空探测；
• 降低NASA的重资产配置。由航天器及相关设施的业主方，逐步向购买商业航天企业的服务转变。

为此，美国发布了一揽子法律制度和资助计划。以SpaceX为代表的新兴商业航天公司就是在这个政策的大环境中催生出来的。

如果没有这些政策和政府资助计划，纵使有马斯克的梦想，SpaceX公司也可能在中途夭折。马斯克在2021年8月接受媒体采访时，饱含感激之情的回顾了，在SpaceX公司初期最困难的时候，得到了美国航空航天局（NASA）15亿美元救命合同的情景。

在社交平台谈到这段采访视频时，马斯克表示：

“这是真实的。我真的爱NASA，一如既往。当时我想我们肯定输了。我们只是一家小公司，4次发射中只有1次进入轨道（指猎鹰1号的4次发射）。我们已经没有钱了。突然，圣诞节前几天，NASA打电话说我们赢了。”

② 埃隆.马斯克的火星移民梦

马斯克曾表示，

“我希望每天早上醒来，想着未来会很美好 — 这就是太空文明的意义所在。

这让我相信未来，相信未来会比过去更美好。

我想不出有什么比到那里去和星星在一起更令人兴奋的事了。”

马斯克除了有这样的梦想，又是一个推崇“第一性原理（First Principle Thinking）”的人。第一性原理指的是回归事物本质，将其拆分成各要素进行解构分析，从而找到实现目标最优路径的方法。

通常我们总是倾向于在前人已经做的和正在做的事情上去发展，这样的结果只能是渐进的迭代发展。马斯克和他的团队思考问题的方法是回溯事物的本质，重新思考怎么做。按照第一性原理，马斯克提出了以下目标：

i 全复用火箭

马斯克的目标是实现人类移民火星，要实现这一目标，当时任何一种太空运输系统，成本都是不可行的。因此，移民火星首先需要解决的是大幅降低航天运输系统的成本，说白了就是要把航天运输系统打造成像飞机一样，全复用，这样消耗的只有燃料（当然还有定期保养）。

这种设计最终引向了该公司正在研制的超级重型火箭-星舰（Starship）。当然过程中，技术需要积累，钱需要挣，所以有了我们现在看到的SpaceX主力火箭猎鹰9号和猎鹰重型。

ii 数量级降低入轨成本

因为没有完整的火星运输成本数据做参考，这里拿近地轨道的数据做比较。SpaceX全复用的超级重型运输系统星舰（Starship）近地轨道运输目标成本为每公斤10美元，而航天飞机的成本为每公斤5.45万美元，数千倍的差距。

iii VTVL的技术路线

对于返回方式的选择，如果是水平返回，即使是有大气层的外星，肯定也是没有降落跑道的，因此选择利用火箭推力垂直返回是人类登陆外星的不二之选。再难也要克服。

iv 推进剂的选择

推进剂首先考虑的是可以在外星原位制取，否则在商业上是无法接受的。氧化剂很自然的选择氧气，氧元素广泛存在。

燃料的选择稍显复杂，煤油无法在外星原位制取，氢气的液化温度太低。甲烷的液化温度适中，而且甲烷和氧气液化温度接近，在火箭燃料储箱设计时可以相对简化，而且都可以在火星上原位制取，另外甲烷在地球上也比氢气和煤油最便宜。

这也就是星舰选择采用液氧甲烷猛禽发动机的原因。而且猛禽使用了最充分使用燃料的燃气循环方式-全流量分级燃烧循环（FFSCC）液体发动机。

③ 美国的航天飞机退役了

2011年7月，美国亚特兰蒂斯号航天飞机执行完最后一次飞行任务，标志着航天飞机时代的结束。但是，美国人还要去国际空间站。

2011年7月21日，亚特兰蒂斯号航天飞机降落在肯尼迪航天中心，标志着航天飞机时代的结束

航天飞机退役后，没有载人航天发射能力的美国人，只能购买俄罗斯联盟号（Soyuz）载人飞船和进步号（Progress）货运飞船的服务，来完成国际空间站的穿梭。

这也促使急迫需要形成本国载人发射能力的美国政府，把宝同时押在了SpaceX和波音身上。事实证明，当时NASA的决策是英明的，虽然SpaceX只是一家初创小公司，但是直到现在波音的“星际线（Starliner）”载人飞船还没有交卷。这也从另外一面反应了老牌“军工复合体”的能力和做派。

航天飞机时代以后的第一次实现在美国的土地上、用美国的航天器发射美国的宇航员要等到2020年5月，它是由猎鹰9（Falcon 9）发射载人龙飞船（Crew Dragon）Demo-2任务实现的。

2020年5月30日搭载Demo-2载人龙飞船的猎鹰9号火箭发射升空，这是全球第一次商业载人飞行任务

未完待续...

参考资料：

1. SpaceX

2.全球航天事件公号

本文转自微信公众号“全球航天事件”，作者：GlobalspaceEvent。

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