火箭复用的极限在哪里?（上）
不久前，SpaceX的一枚九手猎鹰9号火箭从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台一飞冲天，成功将第22批60颗星链卫星送上太空，继续刷新人类火箭复用记录。
太空探索技术公司首席执行官马斯克曾表示，目前正在被大量使用的猎鹰9号V1.2版构型5一子级火箭被设计成“在无需例行整修的情况下”能反复使用10次，而若“做适当的例行维护”可用100次。
事实果真会如此吗，运载火箭重复使用的极限在哪里呢？
重复使用是火箭发展必然趋势
说起“重复使用”，大家往往会有一种既熟悉又陌生的感觉。
说到“熟悉”，人们生活中用到的交通工具，汽车、轮船、飞机，哪一样不是重复使用的，哪有用一次就扔的？
说到“陌生”，以前对于运载火箭还真是很少听说重复使用，都是一次性，发射完都不知道掉哪里了。
运载火箭为什么是这样的，那还得从运载火箭的滥觞，大名鼎鼎的火箭公式说起。
上个世纪初，随着航空技术的进步，人们逐渐发现大气层是有边界的，甚至估算出了大气层的厚度。传统的航空器，无论是依靠空气浮力的气球，还是依靠气动升力的飞机，都不可能越出大气层。
那有没有让人类越出大气层的工具呢？由于地球是宇宙中的一个球体，通过对于基本力学知识的推导，可以知道如果一个物体的速度足够快，那么它环绕地球运动产生的离心力，就可以和地球对它产生的万有引力相平衡，那么它就能够脱离大气层进入环绕地球的轨道。这就是我们所熟知的7.8千米/秒第一宇宙速度。
这其中的关键就在于，如何使物体获得这样大的速度。
这时伟大的火箭之父齐奥尔科夫斯基就出场了。他推导出了火箭公式，提出利用运载火箭将物体送到环绕地球的轨道之上的可行路径。
火箭公式的核心就在于将燃料变为物体的速度增量。但是受化学推进剂本身的特性所限，火箭起飞质量的绝大部分必须是推进剂质量，目前火箭的燃料通常要占到自重的80%~90%。我们所看到的火箭本体，甚至可以说就是一个推进剂贮箱。
在技术水平较为低下的时候，即便是一次性运载火箭，也不能够用如此轻的飞行器质量，装载如此多的推进剂起飞，毕竟火箭飞行所经历的力学环境要比普通飞机恶劣得多。
齐奥尔科夫斯基的伟大之处在于，他仅仅通过数学推导，就提出了多级火箭的概念，为人们用较为低下的技术水平实现航天飞行奠定了基础。因为使用多级火箭，可以逐次将一部分用光了推进剂的火箭子级抛弃，进而保证最终的有效载荷能够获得足够的速度增量。
液体火箭一般只需要两级就可以进入近地轨道，而固体火箭一般需要三级，甚至四级，这是因为固体火箭推进剂的比冲较低的缘故。而为了实现地球同步转移轨道发射，目前国际上主流火箭一般采用三级或两级半构型。比如美国的“德尔它”“宇宙神”，俄罗斯的“安加拉”“质子”，欧空局的“阿里安”，中国的长征三号甲系列运载火箭等。
而重复使用的要求，往往意味着需要付出更多的结构质量，比如需要加装着陆回收装置、结构增厚加强以应对重复多次的飞行载荷等。在这种形势下，早期的运载火箭必然是多级的一次性运载火箭。
但是随着技术的进步，火箭的结构质量可以变得越来越轻，同时强度越来越高，那么运载火箭的演进趋势也就确定了，那就是由多级向单级，由一次性使用向重复使用，由部分重复使用向完全重复使用发展。
目前，“猎鹰9号”可以说是最为先进的运载火箭。这里有两个方面的原因：一方面是因为它是市面上罕见的可适应主流地球同步转移轨道(GTO)载荷的两级串联、且不用氢氧动力的火箭。这说明“猎鹰9号”在结构轻质化、发动机综合性能方面已经达到了很高的水平。另一方面就是因为“猎鹰9号”已经实现了部分重复使用，且重复使用率达到了80%。
垂直回收提高了重复使用能力
土星1号火箭是美国对重复使用运载器概念的最早尝试。20世纪60年代，美国宇航局尝试使用滑翔伞翼对土星1号火箭一级进行回收，力图实现自主着陆，因当时着陆技术不太成熟，致使该方案只停留在缩比试验阶段。
上世纪50年代，苏联也曾尝试通过伞降回收小型气象火箭，并取得成功。在经过简单修复后，小火箭实现了二次飞行。
1977年，美国的航天飞机通过垂直起飞、水平降落的方式首次实现载人试飞，而航天飞机所使用的两枚固体火箭助推器则通过降落伞减速后溅落在海面上，进而实现回收重复使用。
进入21世纪，太空探索技术公司的猎鹰系列火箭和“蓝色起源”的新谢泼德火箭均通过垂直发射、垂直回收的方式实现了火箭的回收重复使用。
除此以外，人们还对于完全可重复使用的单级入轨飞行器进行了多次探索。
1986年美国提出研制以吸气式发动机为动力的国家空天飞机（NASP），但由于该项目研制费用过高，技术难度太大，被迫于1994年停止。
1996年，美国再次决定开发火箭动力单级入轨飞行器“冒险星”的缩比试验飞行器X-33，同样因为技术难度大，计划超期，于2001年宣布放弃。
可重复使用运载系统按照起降方式的差异性，可分为3种方式。
第一种方式，水平起飞/水平回收。
水平起飞/水平回收的运载系统的动力形式一般为吸气式组合动力。吸气式组合动力可以在不同的飞行高度和马赫数条件下启用最优的工作模式，达到最佳的加速和巡航要求，能够充分利用大气中的氧减轻自身的起飞重量，成为未来最有前途的动力系统。
在20世纪90年代各国吸气式动力的单级入轨空天飞机计划因技术难度较大而夭折后，各国都采取了比较务实的做法，先发展较为成熟的火箭动力，后发展技术难度更大的吸气式组合动力。
第二种方式，垂直起飞/水平回收。
对于火箭动力的两级入轨可重复使用火箭而言，采用垂直发射方式，起飞和飞行时主要承受轴向载荷，结构设计简单，同时垂直起飞能够快速穿越大气层，气动阻力损失小。
翼身组合体式气动外形可采用水平降落的模式，利用大气阻力进行着陆前减速，但是飞行中气动阻力和气动加热比垂直降落大，需要在机翼和机身部位采取防热措施。
另外水平着陆还需要较长的跑道进行滑跑减速，气动、控制、热防护等方面技术难度较大，着陆跑道等基础设施建设周期较长。
水平返回的带翼重复使用运载器具备优异的高超声速飞行能力和快速响应能力。
垂直起飞/水平回收的典型代表是美国的航天飞机。它是往返于地面和近地轨道之间运送人和有效载荷的飞行器，兼具载人航天器和运载器功能，并按飞机方式着陆的航天系统。
由于航天飞机过于复杂，载人兼运货，操作效率低，每年飞行次数不到10次，反而成为了运行费用昂贵的飞行器。实践证明它在经济性、安全性和可靠性方面都未达到预期目标。2011年7月，美国航天飞机完成第135次任务后正式退役。
统计显示，航天飞机计划共计花费1960亿美元，其中每架航天飞机的造价约为120亿美元，单次发射的费用约为4.5亿美元（超预算近10倍）。
第三种方式，垂直起飞/垂直回收。
火箭采用旋成体气动外形，结构设计简单，一般采用垂直降落方式，用于着陆的结构附加重量较小，相比于水平降落方式，气动、控制、热防护技术难度较小，但是要求发动机具备大范围推力调节能力，同时需要预留推进剂减速，损失部分运载能力。
垂直起飞/垂直回收的典型代表是太空探索技术公司的猎鹰系列火箭和蓝色起源公司的新谢泼德火箭。两者均已多次实现火箭的回收复用，充分验证了技术的成熟度。同时，火箭的使用成本也大幅下降。按照埃隆·马斯克的说法，第一级火箭回收复用可以在现有成本的基础上再降低70%成本。
综上所述，水平起飞/水平降落技术难度较大，短期内难以具备工程应用能力；垂直起飞/水平降落虽然具备工程实践的条件，但是使用维护成本高，运营主体通常难以承受；垂直起飞/垂直降落不用改变火箭构型，技术难度相对较小，真正实现了火箭发射成本的降低，成为目前最受青睐的重复使用技术路线。（未完待续）