▲未来猎鹰-9火箭第二级着陆示意图。
▲猎鹰-9火箭第一级的9台发动机。
▲猎鹰-9火箭第一级成功着陆场景。
谢博
新闻背景
2015年12月22日，美国太空探索技术公司用猎鹰－9火箭，成功发射了轨道通信公司的11颗小型通信卫星。更重要的是，猎鹰－9火箭在世界上首次成功进行第一级有动力垂直回收，从而在人类历史上率先验证了轨道运载火箭的回收技术，为未来打造可重复使用运载火箭，大大降低运载火箭发射成本奠定了重要基础。
“惊天动地”意义非凡
众所周知，目前的运载火箭都是一次性使用的，所以长久以来航天发射成本居高不下，发送质量1千克物质上天的成本约为1万至2万美元，大大影响了人类开发太空的规模和效益。
比如，作为目前世界上最便宜的猎鹰－9火箭，总造价约为5000多万美元，而其推进剂的成本只有20万美元。因此，如果能够回收火箭，然后重复使用，可以极大降低发射成本。所以，美国太空探索技术公司自设计之初就一直在研究如何回收以及重复使用猎鹰－9火箭的有关技术。据悉，如果能回收并重复使用猎鹰－9火箭的第一级，可降低火箭成本80%；如果第一、二级火箭都能回收并重复使用，则可降低火箭成本99%。太空探索技术公司总裁马斯克曾表示，可重复使用火箭将使空间进入成本降低两个数量级。
另外，回收火箭还能保障地面人员和财产的安全，因为现在的火箭发射时那些被抛下的部件中，除了第三级火箭外，其他部件会因为高度不足，无法完全燃烧而成为残骸降落到地面或水面，这样就不可避免地会有火箭残骸落入民居损坏财物，甚至伤人。
回收火箭也可以保护环境，因为一些火箭的燃料是有毒的，每次发射后会残留一些，这些残留燃料会随着火箭落地而污染环境。如果能回收第一级甚至第二级火箭，就可使火箭残骸不会砸在地面或水中完全解体，也就不会让剩余燃料更多地污染环境。
火箭回收三种方案
要实现运载火箭的可重复使用，回收技术是关键。据权威专家介绍，火箭的回收方式一般有三种：降落伞垂直下降式、动力反推垂直降落式以及滑翔飞行水平降落式。
第一种是降落伞垂直下降方案，即在火箭分离后先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道，接着在低空采用降落伞减速，最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。
第二种是动力反推垂直下降方案，其空中变轨制动同第一种，但在低空采用发动机反推减速，以垂直下降方式降落地面。美国猎鹰－9火箭采用的就是这种方案。
第三种是滑翔飞行水平降落方案，即箭体采用翼式飞行体，在变轨制动后，火箭像飞机一样水平降落返回地面。这种方案又分为有动力和无动力两种，后者完全依靠翼身的气动力滑翔飞行，而前者是采用装有涡喷发动机的翼式飞行体，在返回地面过程中启动涡喷发动机进行巡航机动飞行，可实现更大范围的回收区选择。
垂直回收困难重重
猎鹰－9火箭是从2002年开始研制的。该火箭不仅已用于发射“龙”货运飞船，还用于发射多种商业卫星。由于价格便宜，可靠性高，能以每次5000万至6000万美元的发射价格支持航天发射任务，所以猎鹰－9火箭现已获得大量航天器发射订单，供不应求。
仅仅是这些，猎鹰－9已经是非常成功的火箭了，但太空探索技术公司还有更有野心的目标，就是要实现火箭的垂直起降回收，以便未来可以重复使用。然而要做到这一点，面临的困难是十分巨大的。
第一是控制火箭姿态垂直着陆。但众所周知，越是细长的东西，越不好控制其姿态，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难。有人形容其难度犹如“在狂风中让扫帚柄直立于手掌上”。在返回过程中，猎鹰－9第一级火箭是通过箭上的液氮推力器来调整姿态的，以应对气动扭矩和旋转的影响，在降落过程中一直与地面保持垂直状态。具体说就是箭体上有4个可展开的栅格翼，它通过GPS卫星制导来协助控制火箭朝着陆地点降落，使其最终落地的精度在10米左右。
第二是火箭发动机要具有推力可调和多次启动的功能。为了动力反推，火箭多带了一些燃料。在第一级返回的不同高度，火箭质量会随着燃料快速消耗而明显减小，所以其反推发动机需要采用不同大小的推力，以实现软着陆。
第三是火箭发动机要能重复使用，且每次飞行后只需经过简单维修和加注燃料就能再次发射，至少能够重复使用10次以上。
多次失败终获成功
回收猎鹰－9第一级火箭的试验经历了多次失败。
今年1月10日，猎鹰－9火箭在承担“国际空间站”的货运任务中试验回收火箭第一级技术。第一级火箭在发射后，落向大西洋上的海上着陆平台，虽然准确地命中目标，但由于下降速度过快，导致火箭在甲板上发生爆炸。失败的主要原因是火箭液压油不足，从而导致其4个稳定栅格翼无法有效发挥作用。
今年4月14日，猎鹰－9火箭再次在“国际空间站”的货运任务中试验回收火箭第一级技术，虽然第一级火箭准确着陆在海上回收平台甲板上，但由于横向速度过大，火箭未能在甲板上稳稳站立，最终导致倾覆爆炸。
这只是失败例子中的两例。但这些都没影响太空探索技术公司总裁马斯克继续试验的决心。在今年12月的回收试验中进行了多项改进，例如，采用了升级版猎鹰－9执行发射任务，与之前的火箭相比增加了30%动力，从而可在发射有效载荷后，仍有较大动力使火箭第一级在着陆平台上降落并回收；放弃了之前在海上回收平台上回收的做法，改为在陆地上回收，因为陆地回收面积大，且稳定不晃动，气象条件更好，能明显降低回收难度。回收着陆场是卡纳维拉尔角已退役的发射场。
这一次，马斯克终于获得了成功。
从长远看，研制可重复使用的火箭和飞船，可使人类探访甚至移居其他星球的梦想成真。现在载人航天最大的一个瓶颈就是成本太高。如果可重复使用航天技术取得了实用性进展，未来将会大大加速人类进入太空的步伐。
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我国也在搞火箭回收
据最新报道，中国运载火箭技术研究院也一直致力于火箭回收技术的研究。2015年11月下旬，该院成功完成了运载火箭子级回收群伞空投试验，这标志着我国运载火箭在部段回收技术上取得了新的进展，离实现可重复使用又近了一步。其方案是采用降落伞垂直下降式进行回收，与飞船返回舱回收类似，但因火箭箭体细长，所以难度大得多。
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“太空狂人”还有更多梦想
这一次成功远远不是马斯克事业的终点，人称“太空狂人”的他还有更多的梦想。
2016年1月，猎鹰-9将把SES-9卫星送往地球同步转移轨道，这要求火箭携带更多的燃料。因为燃料余量的关系，到时该一级火箭很可能进行海上回收平台的软着陆。相比较今年12月22日的陆上着陆，海上着陆的情况要复杂得多。下一发火箭是否在海上回收、能否成功再次回收将是一大看点。
2016年第二季度，太空探索技术公司将发射近地轨道运载能力达53吨的首枚“猎鹰重型”火箭，并进行第一级火箭与助推器的回收试验，这对未来耗资巨大的载人火星飞行、地外星球表面火箭重复利用等至关重要，因为如果回收成功，可以大幅降低载人火星任务的成本，将总开支降低一至两个数量级。
今后，太空探索技术公司还将试验回收猎鹰－9火箭第二级的技术。由于第二级飞得高，速度更快，回收再入大气层时需要热防护系统保护才行，所以回收难度更大；另外，第二级只有一台发动机，回收是否合算也需考虑。
在研制“猎鹰重型”火箭成功后，太空探索技术公司将研制更为强大的火箭——“超级猎鹰”，其运载能力将是“重型猎鹰”的3倍，达170多吨。借助这种火箭，无论是重返月球，进军火星或者其他更远天体都没有问题。
太空探索技术公司还采用创新设计和技术，研制可以客货两用的“龙”飞船。
马斯克在2015年曾宣布，要搞由4000多颗小卫星组成的太空互联网，以满足全球所有人的移动通信需求。
太空探索技术公司可能会在2016年公布该公司的载人火星计划。相比美国航空航天局公布的2035年实现载人火星登陆，太空探索技术公司要抢先一步，在2025年实现载人登火星，马斯克本人也想登陆火星。
