噱头无益，可靠为王

美国太空探索技术公司（以下简称SpaceX）已近乎发展成为了一种流行文化。有狂热的粉丝、也有相关的文化图腾、更有无数力挺的跨界著名关注者。至于在航天业界的同行们，无论是否对其认可，都已无法忽略这家企业。其名之盛，以至于目前相关新闻已被国内许多营销团体或者个人包装用于各类营销目的。截至2015年末，“猎鹰”9号运载火箭完成了至少6次发射，把多颗航天器送入轨道。作为一种宣称近地轨道有效载荷13吨、典型发射任务报价只有5400万美元的“经济适用型”中型运载火箭，“猎鹰”9号的实用、可靠已经得到证明。时至今日，其发射过的最昂贵的载荷，乃是欧洲卫星公司的SES-9同步轨道通信卫星，重约5.3吨。然而，上述这些并非令SpaceX扬名之处。

最吸引眼球的是——迄今为止“猎鹰”9号回收型，共进行了6次第一级垂直回收试验，有两次获得圆满成功（载荷入轨+回收成功），剩下的几次也部分成功（载荷入轨+回收失败）。

通过研究SpaceX公司“猎鹰”系列火箭从摸索到成熟的历程，我们能够了解美国航天系统在快速布星和商用发射方面的进展。同时通过分析SpaceX的得失，也能对国内准备乘“军民融合”东风进入运载火箭研发领域的民企，产生一些指导作用。

从梅林引擎开始

众所周知，发动机是决定运载火箭性能的最关键因素，也是决定一枚火箭成败的基础，运载火箭几乎就是围绕着发动机来进行设计的。目前，除去尚在试制阶段的，采用液氧甲烷燃料的猛禽上面级引擎，以及随着“猎鹰”9火箭投入使用而靠边站的红隼上面级引擎，采用液氧煤油燃料的梅林发动机是SpaceX目前唯一的台柱。

梅林发动机的设计源头颇为复杂，技术来源众说纷纭。不过，美国的火箭发动机型号虽然繁复浩瀚，但万变不离其宗，其技术传承和演进是有一个较为明确的路线与参考的。

大致上，我们由于梅林引擎的针栓式喷嘴构造，将其视为阿波罗下降段引擎演进线上的产物。而且在其具体的设计思想上，明显是参考了马歇尔航天中心的Fastrac廉价发动机。不过，该观点许多人并不赞同。

反对的理由之一，便是梅林引擎和登月舱下降级发动机连燃料都不一样，只不过都采用了针栓式喷嘴而已。至于Fastrac廉价发动机……“如此推力有何资格和‘猎鹰’相比”。所以按照其逻辑，梅林引擎应该和圣杯一样，乃是神对马斯克的恩赐，只恨不能把火箭都吹成是他的创造。

不过，无论支持还是反对，出身汤谱森-拉莫-伍尔德里奇公司的SpaceX的总工程师Tom Mueller，毕竟是在TR-106引擎（使用针栓式喷嘴，氢氧燃料）的开发过程中积累了丰富的经验。在其投奔新东家后，适当借鉴参与过的项目，取其精华加以利用，实在也属于情理之中的事情。而针栓式喷嘴的优点也非常的多。包括稳定性好、加工维护便宜、节流调速容易等。那么，在相关专利已经失效的前提下借鉴过来，也是合情合理的。

尽管优点多多，针栓式喷嘴的固有缺点，却也在梅林发动机的设计和制造过程中把整个团队坑得不轻。

针栓式喷嘴构造对冷却的要求很高，所以最初的梅林1A与1B，均不可避免的遇到了过热的问题。由于梅林系列发动机在其开发初期坚持采用了可靠性和效率都很糟糕的烧蚀冷却方式，所以发动机过热烧穿的问题，一直是团队在早期面临的最大挑战。最早的“猎鹰”1型火箭，就屡屡在发动机的问题上吃瘪。直到被搞烦了的SpaceX决定下大力气部分推倒重来——从1C改进型开始，将发动机冷却模式改为回热冷却式，彻底放弃烧灼冷却模式，这才基本解决了过热的问题。

所谓回热冷却，就是设计一组专门环绕燃烧室和喷嘴的管路，将燃料首先流经燃烧室和喷口的外壁再注入燃烧室。既冷却了发动机又可以预热燃料。但其较为复杂的结构，也增加了引擎开发的难度和风险。

然而，换用回热冷模式却和SpaceX的技术发展宗旨是背道而驰的。众所周知，梅林引擎在立项伊始，就被定义为一种结构尽可能简单的高性价比引擎。也因为这个思路，没有选用技术难度更大、但比冲更高的分级燃烧循环，而是结合美国的技术积累情况，走了较为简单、低成本、低风险的燃气发生器循环模式。因为阿波罗计划的牵引，上世纪60年代，美国在液氧煤油燃料、燃气发生器循环领域作了大量工作，技术积累非常丰厚。但是此后的研发重点就转向了液氢液氧燃料、高压补燃循环（分级燃烧循环的一种）发动机，对液氧煤油发动机研发投入不多。

那么，分级燃烧循环模式和燃气发生器循环模式到底有何区别？前者在燃烧循环时，将推动涡轮泵做功的废气压入燃烧室再次进行燃烧，最大限度利用燃气的能量。而后者，为了最大限度简化设计、采取直接将废气一排了事的“简单粗暴”方式，以求最大限度减少发动机的干质量。因为分级燃烧循环充分利用了涡轮泵废气的能量，可以大幅度提高涡轮功率、进而提高燃烧室压力，显著提高了发动机比冲。对于燃气发生器循环，涡轮废气的能量被浪费了，涡轮泵的功率越高、这种浪费越严重，到了一定程度、浪费的废气能量高于燃烧室压力提高带来的好处，得不偿失；所以燃气发生器循环的燃烧室压力较低，比冲明显低于分级燃烧循环。

当然，在液氧煤油燃料组合上，燃气发生器循环比高压补燃循环还有一个优势：富燃燃烧。因为煤油的高温结焦问题，高压补燃循环只能采用调高氧化剂比例的富氧燃烧模式，高温高压燃气堪比乙炔气割，一旦发动机故障、燃气泄漏，故障发展会很迅速、后果严重。相比之下、富燃燃烧的燃气破坏力就弱得多，故障发展缓慢、温和得多，这个特性曾经挽救过“猎鹰”9号的发射任务，此乃后话。

显然，由于丰满的理想和骨感的现实，SpaceX被迫做出了无奈的妥协。使得梅林发动机在走燃气发生器循环模式，以求最大程度简化的同时，却被迫在发动机冷却模式上采用回热冷却。最终，造就了梅林1C这个有几分怪异，但基本算是“好用”的引擎。

梅林1C基本固定了当前经典版梅林引擎的所有特性。在其基础上开发的1D，则是进一步减重与优化的设计。最终，在设计团队的竭尽所能之下，其燃烧室压力较之1C提高了近五分之二，接近100个标准大气压力，使得性能有了大幅的提高。

总的来说，即便是以梅林1D而言，其海平面比冲也仅有275秒，海平面推力折合约66吨。虽然较为可靠，但各项指标均已落后，算不上什么强大的火箭发动机。最新型的梅林1D+发动机数据版本繁杂、自相矛盾，很难准确评价，但是它的技术基础没有变化，核心指标不会有革命性突破。

纵观美国航天界琳琅满目的火箭发动机货架，比之更优秀的产品比比皆是。例如航天飞机的主发动机，大名鼎鼎的洛克达因产航天飞机主发动机（SSME）。其采用液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用，海平面比冲达366s、海平面推力约190吨。其性能不知甩开梅林1D几条大街。尤其是其具备高达452s的真空比冲！相较而言，梅林1D仅有可怜的310s。那么，既然费尽周章完成的梅林1D实际上是个半吊子，市面上也有着远比它强大的引擎，那么为何公司不老老实实掏钱去买现成的好发动机呢？

实际上，目前声名大噪的“猎鹰”9号运载火箭的成功之处，就在于其采用了梅林这样的“大路货”。但是，SpaceX是一家典型的商业公司。它的宗旨是抢占市场，获得业务，最终实现盈利。而不是设计和制造更棒更强的火箭，为航天事业做出贡献。开发梅林系列发动机的基本要求就是廉价。即便是最新型的梅林1D，推算价格也仅百万美元级别。与之相比，性能远胜的SSME，其价格却是以千万计的。此外，不但是发动机本身的价格相差悬殊，采用煤油为燃料的梅林引擎与采用液氢为燃料的SSME，其使用成本也相差悬殊。

最后，必须要简单谈一下的是“猎鹰”9号火箭第二子级主发动机真空梅林。顾名思义，真空梅林的实质还是梅林。它是在起飞级型号的基础上，采用大面积比的高空喷管改进获得。与梅林1版本基本是继承性的关系，只是专门优化了真空比冲性能。

于是，随着红隼上面级引擎靠边站，SpaceX终于用一种发动机满足了所有需要。而其技术始于各类明的暗的技术输入渠道，基于各种低成本概念的堆砌。公司方面，要做的只是在享有技术的基础上进行开发和改进。这种策略最终极大地摊薄了研发成本，更是有利于组织批量生产、控制成本、提升质量，以最经济的价格生产出适用的引擎。

然而，正如前文所剖析的那样，梅林1系列引擎，要推力没推力要比冲没比冲，优点只是便宜简单和可靠，终究是一种凑合用的产品。所有人都应该明白，如果艾隆·马斯克能够以同样的成本制造和使用SSME，他当然不会选择梅林。正如他自己对媒体说得那样：“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”

这，也是SpaceX努力推进“猛禽”甲烷液氧发动机研制工作的根本原因。关于这种引擎，我们将会在下文说到。

从“猎鹰”1号到“猎鹰”9号

SpaceX在运营早期颇为不顺。“猎鹰”1号运载火箭从2005年下半年到2008年8月，曾经有过连续3次失败的记录。尤其是在2008年8月2日进行的第三次发射，由于发射后异常振动导致的分离故障，将分属美国国防部和NASA的3枚立方星，以及208名在生前希望死后遗骸能进入太空的顾客的骨灰统统烧毁在了同温层内。其中包括曾经出演著名科幻电视剧《星际迷航》的美国已故演员杜汉和阿波罗7号飞船的宇航员库珀。

不过，随着梅林1C发动机投入使用，原本折磨SpaceX的发动机烧穿问题得以解决。2008年9月28日，SpaceX使用一枚第一级改用“猎鹰”1C引擎的“猎鹰”1号运载火箭，在夸贾林环礁发射基地，将一块165千克的配重成功送上进入近地轨道。

从2002年6月成立以来，尽管SpaceX的道路看似坎坷异常，但仅仅3个月后，“奇迹”就将发生。同年12月23日，NASA宣布将第一批总值36亿美元的国际空间站货运合同，分配给了SpaceX和轨道科学公司，当时距离SpaceX的首次开始火箭发射只有2年时间，距离第一次成功将载荷送入轨道还不到3个月。该合同立即倍增了SpaceX的发言权和市场地位，使这家本来在业界只见嘴炮和笑话的企业，摇身一变成了可能有机会挑战波音和洛克希德马丁合资成立的联合发射联盟市场地位的潜在竞争对手。因为就在过去的10年里，后者一直主导着美国的军、民航天用发射市场，获取滚滚利润。也使得总是被砍预算的NASA苦不堪言。而这，正是SpaceX的老大马斯克所一直期望和努力所追求的目标。

SpaceX之所以能够揽下NASA的太空物流合同（分到了大约16亿美元的单子），只靠200千米近地轨道载荷670千克的“猎鹰”1号火箭，那纯属痴人说梦。事实上，SpaceX计划用于投送货运飞船的载具，是当时尚在纸面上的中型运载火箭“猎鹰”9号。此外，包括用来运送货物的龙式飞船，当时也同样只有模型和设计图。只靠图纸和方案就能揽到十几亿的合同，这黑箱操作的能耐作者也是醉了。近地轨道运载能力至少10000千克，并能将超过4000千克的载荷送入同步转移轨道——这就是SpaceX为NASA画的饼，而NASA居然认了……

基本任务载荷，决定了“猎鹰”9号必须是一种中型运载火箭。而从梅林1A到梅林1C，尽管SpaceX在火箭发动机领域取得了可喜的进步，但以梅林1C那海平面550千牛的推力，根本是没能力独立撑起这个运力要求的。怎么办？多堆几个引擎嘛。那么堆几个呢？9个！

根据设计，“猎鹰”9号是一种两级运载火箭。其1.0版本有157英尺高（47.8米），芯级直径12英尺（3.65米），通常搭载状态起飞质量为333.4吨。它的第一级将要并联9台梅林引擎，起飞推力则是4940千牛（1.0版本）。而上面级发动机也不再是小巧的红隼，将换用专门优化了真空性能的梅林引擎。看起来很不错，实际上，想要制造一枚运载火箭，有了可靠的火箭发动机意味着成功的一半，但也只是一半。因为，梅林1引擎的单台推力太弱了。而若想并联9台引擎同时工作，那么势必要面对可靠性的问题。此外，如何在箭体强度与重量上取得平衡点也是个巨大的问题。

此外，对于SpaceX来说，成本是这家企业的生命。既然引擎已经基本实现了低成本化，除了尽可能挖掘性能外，控制成本是另一个核心问题。

马斯克控制成本的主要手段无非有二。首先，大量采用常规商用、工业类电子元器件。相比较价格昂贵换代慢的宇航级器件，这样不仅有效降低了成本，而且器件采用的技术也更先进、性能指标更好。以CPU为例，宇航级产品虽然寿命高，并且能在极端环境下长期工作，但在工作频率等指标上通常会比商业、工业级产品至少落后两代。而火箭毕竟不是卫星、不是深空探测器，它的工作寿命以分钟计，而非以月、以年计。商业、工业级元器件只要经过严格测试，辅以有针对性的辐射防护，完全可以在火箭上使用。

其次，在研发/生产管理上，互联网行业投资人出身的马斯克把该行业的管理体制和组织架构引入SpaceX，采用无边界管理模式，打造外形扁平化的公司组织。公司内部没有通常意义上的部门划分，甚至没有组织机构图，各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作，研发与生产的联系更为紧密，抛弃了不必要的繁文缛节和复杂低效的冗长管理流程。以下是一个关于SpaceX“扁平化管理”的段子，尽管真实性很低，但也在一定程度上说明了其所遵循的管理思想：“猎鹰”9研发工作的早期，某次发射前，经过计算和分析、上面级发动机的喷管需要调整面积比。如果是传统的航天系统作风，这个调整从请示报告再到层层批复、直到最终实施，最快也要一个星期。但SpaceX不走这个套路，现场的技术负责人当场拍板，工程师马上拿着工具就去把喷管剪掉一截，前后统共几个小时搞定。

扁平化管理，避免繁文缛节虽是优点。但如同这个段子里描述的景象，已经不是在制造火箭了。实际上，就算是一个生产二踢脚的车间，技术人员敢这么胡来，下场多半也是血的代价。所以段子也只是段子，可偏偏有许多人却信，而且广为传播。

得益于扁平化管理、互联网基因，加之NASA全力支持，提供了大量设备、设施和智力支援，SpaceX长期保持着研发、生产团队的精干高效。公司曾经多年维持在数百人规模，2012年才扩张到千人，在有效控制人力成本的同时、保证了研发工作的高效率，““猎鹰”9”火箭从方案论证到首飞，仅用了四年半时间。

根据推算火箭入轨速度的齐奥尔科夫斯基公式：火箭最终速度 = 发动机喷出推进工质（比冲）×ln（火箭总质量/火箭末质量）。决定火箭的最终速度的参数中，比冲数值的好坏由发动机的性质所决定。根据物理常识，一种燃料燃烧后产生的热量越高，则其比冲就越大。也因为这个原因，煤油发动机虽然拥有使用成本低、安全性好、无毒无害等优点，但是其能量密度远不及液氢，故煤油发动机比冲性能远无法与氢氧发动机相比拟。煤油引擎的真空理论极限值比不会超过390秒，实际可实现的应当不超过350秒。

既然梅林1即便发展到D型也只是个半吊子货，再加上煤油发动机的先天不足问题，那么想要提高火箭的性能，剩下的唯一选择就唯有提高箭体的干质比。换而言之，就是在保证必要的强度前提下，尽可能多地减轻箭体自重。

最终，我们看到的“猎鹰”9就成了这样一支在减重上达到了全世界第一的“怪物”——全箭贮箱广泛使用加拿大铝业公司【注释：该公司于2008年与力拓公司合并，组成新的力拓加铝公司，但对外仍以“加铝”的老招牌名义进行经营活动】研制的Airware2198-T8铝锂合金制造，并采用了大胆的半气球贮箱设计、氧化剂燃料槽共底设计，整流罩和级间段则使用碳-碳复合材料制造。

此外，在具体的细节结构减重设计方面，SpaceX的一些措施堪称“极端”。例如，““猎鹰”9”1.1版的级间段把分离机构从1.0版的9个减到了前所未有的3个。而且，在验证了Airware2198-T8铝锂合金的可靠性后，更是进一步把箭体的长径比放大到19。注意，这一长径比设计可谓惊世骇俗。根据中国航天系统多年积累的经验，增大长径比有利于降低火箭的飞行阻力、减轻箭体重量，但是同时造成箭体纵向刚度不足、容易发生震颤、进而降低火箭的可靠性，所以长径需要以15为限制——火箭纵向刚度不足带来的后果可能是灾难性的，要知道当初“东风2”导弹首飞试验时，就是因为纵向刚度不足、箭体发生震颤导致发射失败，可谓有着“血的教训”。此外，减重的焦点也不仅仅集中在箭体上。梅林1系列引擎发展到D型时，引擎重量已得到了彻底的精简，推重比超过150，几乎已是极限。

所以，我们可以毫不夸张第说，无论从哪方面看，当“猎鹰”9号发展到了目前最新的最大推力版本（“猎鹰”9FT）的时候，SpaceX基本已经榨干了现有材料的潜力、颠覆了一系列火箭设计的经验公式，甚至带着一副“人有多大胆，地有多高产”的劲头来进行“赌博”式的尝试。

不过他们确实博对了，而由此带来的好处也很明显，FT版的“猎鹰”9号甚至做到了超过25的干质比（与之对比，我国最新的长征7号尚不足13，还有很大的潜力可以挖掘），箭体减重做到了极致。即便是有着梅林1D这个拖累，这枚火箭亦然具有较好的性能。

行文至此，有一个显而易见的结论已经跃然纸上：在经历过“猎鹰”1号时代的磕磕绊绊之后，SpaceX的新一代“猎鹰”9号火箭，是一款使用货架产品结合成熟技术，并在合理范围内大胆运用新材料、新工艺，性能较好、成本控制非常成功的“经济适用性”火箭。

然而SpaceX在整个2015年内最吸引眼球的地方，并不是“猎鹰”9的技术成熟与价格低廉。而是自其v1.1版本投入使用后，持续推进的关于火箭第一子级垂直回收的试验。

v1.1版“猎鹰”9号，开始在火箭第一子级的底部安装有四个可展开的支架，在顶端安装有气动格栅控制面。在与上面级分离后采用剩余燃料与回收平台汇合（或者返回发射场上空），并垂直降落的姿态进行降落，以期实现第一级的整体回收。

自从第一级回收项目从2012年正式公布以来，马斯克频频声称要凭借这个技术实现航天发射的“白菜化”——把单位质量发射成本降低至现有1/20，震惊世界。对此，外界褒贬不一，心悦诚服、深信不疑者有之，半信半疑、谨慎观望者有之，更有人嗤之以鼻……那么，“猎鹰”9号真的能兑现马斯克的豪言，颠覆国际航天发射市场的格局么？而该公司数年前即高调启动的重型“猎鹰”项目，是否能助其在技术上“碾压”各路对手？

我们拭目以待。（未完待续）

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