《力学园地》编辑部：

    我是一名文科的在读研究生。最近看到媒体报道，９月４日，我国在酒泉卫星发射中心成功发射了可重复使用航天器，在轨飞行2天后，于9月6日成功返回预定着陆场。据说，它可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。我希望进一步了解廉价航天发射之路在何方？

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一名在读研究生

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　       2020.9.9

    廉价航天发射之路在何方？这里谈谈我的看法。

    人类实现动力飞行以来，一直在努力研制能飞得更高、更快的飞行器。20世纪中期，火箭技术取得突破，人类得以发射航天器，进入太空。然而，冷战结束近30年来，人类的太空活动范围和活动规模都没有明显扩大。这受限于昂贵的航天发射费用，因而广阔的太空没有成为新的经济增长点，反而被各国政府视为财政经费的黑洞。

目前，国际商业航天都在致力于降低航天发射成本。中国的商业航天发射报价为每千克5000至10000美元；可望美国SpaceX公司的“猎鹰9”火箭发射报价约为每千克4600美元，而且通过回收使用火箭一子级可进一步降低发射成本。但是每千克数千美元的发射费用，对于大规模太空资源开发来说仍然过高。未来可能有上万吨的设备和物资需要进入太空，发射成本必需在当前水平上降低一个数量级。

    航天发射成本高昂的主要原因在于化学火箭的固有缺陷。目前普遍使用的化学火箭是利用燃料燃烧释放的化学能产生推力的，燃烧要在氧化剂参与下才能完成，燃料和氧化剂合称为推进剂。相比而言，化学推进剂的能量密度很低，因而化学火箭比冲较低。这里的“比冲”定义为一定流量推进剂产生的推力，化学火箭的比冲一般不超过360秒。由于火箭需要同时携带燃料和氧化剂，因而相当一部分推进剂的能量其实是用来托举推进剂本身升空，导致了能量浪费。由于比冲较低，为了使火箭发动机产生足够大的推力而且有足够长的工作时间，必需携带大量推进剂，这样就有需要巨大的贮箱来携带，从而导致化学火箭尺寸庞大，结构质量巨大，制造十分困难。相应地，火箭能携带的有效载荷比就变得很小，一般情况下仅占火箭起飞质量的5%以下，而推进剂却占据起飞质量的90%以上。例如，“猎鹰9”的运载系数（有效载荷与火箭起飞质量之比）只有2.6%；著名的登月火箭“土星五号”的运载系数也不过是4%左右。这里还可以给出一个直观的概念：起飞质量3000吨的“土星五号”，近地轨道运载能力为119吨，月球轨道运载能力仅为45吨。显而易见，低比冲、低运载系数的固有缺陷，使得化学火箭注定是一种效率很低的运载工具。

    火箭垂直回收并重复使用方案，据称能够大幅降低航天发射成本。2019年4月11日，SpaceX公司实现重型猎鹰火箭子一级的全部成功回收，其中子一级的两枚助推器在陆上回收，而芯一级是海上回收。这个事件受到广泛关注，它为廉价航天打开了一个可行的渠道。当然，火箭垂直回收方案有着明显的局限性。首先，目前的垂直回收技术只能回收第一级火箭，第二级因为难以回收，依然只能在坠入大气层后烧毁，因此这种方案对成本降低的贡献有一定限度。而且火箭运载能力越大，第二级的制造成本越高，总成本难以大幅降低。其次，垂直回收需要预留降落段推进剂，还需要安装栅格翼、着陆腿等附加机构，增加了火箭的结构重量（一般称为“死重”），使得火箭运载能力又降低15%~50%。一般而言，火箭运载能力越大，降低越严重，所以大型火箭并不适宜采用垂直回收并重复使用方案。例如，我们来考察一下猎鹰火箭的GTO运载能力，这里的“GTO”是指一种地球同步转移轨道。它是近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度（约为36000公里）的椭圆轨道，经加速后便可达到地球同步卫星的地球静止轨道。在一次性发射和垂直回收这两种技术状态下，猎鹰9火箭的运载能力分别为8.3吨和5.5吨；猎鹰重型火箭的运载能力分别为26.7吨和8吨。可见火箭垂直回收会导致其运载能力大幅降低，这使得单位有效载荷的发射成本降低有限。总之，难以实现完全可重复使用以及运载能力降低，是火箭垂直回收方案的硬伤。具体来说，就是火箭二子级无法回收使得火箭发射成本降幅有限，可以参见下表的数据。

        2018年4月，SpaceX的首席执行官埃隆·马斯克曾宣示，可以使用巨大的氦气球从低轨道回收火箭第二级。SpaceX炒作的另一个亮点是“第二级直送地球同步轨道”，第二级能从地球同步轨道返回并回收使用。不过，航天人目前尚不接受第二种方案，认为那可能是外星黑科技。2018年11月，SpaceX宣布放弃回收猎鹰9第二级的研发计划，这使得猎鹰9的发射成本根本无法像原来宣传的那样降低一个甚至两个数量级（单次发射不可能低于2500万美元）。下面我们只讨论第二级从低轨道返回的情况。这里以“猎鹰9”火箭为例，介绍一下各个子级的分离节点：火箭发射后达到80千米高度时，第一级分离，此后第一级由于惯性继续向上滑行，从160km高度开始下降；第二级的飞行高度达到200km以上，与卫星分离。

为什么火箭的第二级无法回收呢？回收第二级有四个困难：（1）第二级安装单台梅林真空型发动机，动力远远不如安装9台发动机的第一级充裕，飞行控制极为困难；（2）第二级已经水平飞行了一段距离，其落点比第一级的落点更为远离发射场，回收船需长途往返跋涉，测控成本也更高；（3）如果第二级保留部分推进剂用于垂直回收，那么这些推进剂被抬升、加速到入轨条件，已经消耗了第一级的大量推进剂，第二级每保留1kg燃料，整个火箭的死重估计会增加15kg以上，更不用说第二级的栅格翼和着陆腿也是死重，这样火箭的运载能力必然大幅下降，单位质量的发射成本必然大幅上升，甚至失去盈利空间。（4）如果用氦气球回收，需要为第二级加装气动控制面和挂钩，仍然需要预留降落段推进剂增加死重，而且回收成功率显然低于垂直回收，发射成本同样难以降低。

    另一种降低航天发射成本的思路是：抛弃全火箭方案，使用冲压发动机。冲压发动机是一类航空发动机，在飞机中广泛使用。航空发动机有涡轮喷气发动机（Turbojet）、冲压发动机（Ramjet）、超声速燃烧冲压发动机（Scramjet）等。和火箭发动机（Rocket）不同，它们都是利用大气中的氧气作为氧化剂，自身只要携带燃料，所以比冲明显高于火箭（参见图3）。对于航天应用，所用的燃料有氢燃料（Hydrogen Fuel）和碳氢燃料（Hydrocarbon Fuels）等。但是冲压发动机的问题是：它们无法在大气层外运行，不能完成大多数的航天任务。因此人们设想把冲压发动机和火箭的优点结合起来，形成火箭基组合循环动力（RBCC）和两级入轨概念。RBCC推进系统的技术风险较低，可以水平起飞也可以垂直起飞，而且飞行空域广，但是其中有火箭发动机，需携带一定的氧化剂，推进剂重量约占起飞重量的70%。吸气式两级入轨系统由高超声速载机和搭载在上面的第二级组成。第一级载机采用吸气式冲压发动机，爬升至大气层边缘时，第二级与载机分离，载机返航，第二级将载荷送入轨道，完成任务后载荷还可以滑翔返航。图4是美国航天局（NASA）关于RBCC两级入轨运载系统的两个概念图示。

    两级入轨和RBCC的比冲高，可完全重复使用，然而技术难度很大，数十年来，各个航天大国的研发项目层出不穷，但是无一成功。两级入轨系统的主要难题是，载机既要满足爬升高度要求，又要赋予第二级足够的入轨速度，这样第二级的推进剂携带量与第一级的机体结构质量难以协调，容易陷入“水多加面，面多加水”的恶性循环，运载系数很难提高。以我国航天科工集团正在研发的“腾云工程”为例，起飞重量180吨，近地轨道运载能力只有2吨。而且这一运载系统的起飞重量与“协和”客机的最大起飞重量相当，机体制造和维护成本相当可观。此外，采用RBCC推进系统时，如果要从地面零速度开始起飞，还需要以火箭引射模态工作一段时间，才能加速到冲压发动机的最低起动速度。这一阶段也将消耗大量燃料，严重制约飞行器的最终爬升高度和运载能力。当然，不同于RBCC，人们还提出另一种TBCC推进系统概念，它是涡轮基组合动力，目前主要用于高超声速导弹的推进，这里就不涉及了。

    降低航天发射成本的第三种思路是：在地面上赋予航天飞行器足够大的初始动能，从而降低对推进剂化学能的依赖。1994年，NASA提出了磁悬浮助推发射概念MagLifter，并进行了可行性论证和缩比模型试验。MagLifter的工作原理是：用磁悬浮滑车承载和牵引飞行器，在大功率电源系统的驱动下，滑车沿着有一定倾角的轨道加速至2km/s以上并释放组合动力飞行器，飞行器将载荷送入轨道后滑翔返回地面。MagLifter发射的试验飞行器Argus长67 m，翼展18 m，起飞质量400吨，近地轨道运载能力约为9吨。为了减小加速过程中的空气阻力，磁悬浮轨道可以设置在真空或低气压管道中，加速过程即将结束时，真空管道末端快速开启，使飞行器顺利通过。一般而言，希望加速管道末端位于空气稀薄的高山、高原上，避免飞行器飞出管道时出现过大的空气阻力和气动热。图5，6示出了NASA的磁悬浮发射试验装置和并给出了组合动力飞行器的示意。

    约翰·霍普金斯大学提出了另一种磁悬浮发射概念StarTram。针对不同的用途，它可分为Gen-1货物发射系统和Gen-2人员发射系统。其中，Gen-1的发射加速度为30g，真空管道长度为100km；Gen-2的发射加速度约为2~3g，真空管道长度为1000km。据估计， Gen-1系统建设成本为200亿美元，假设每天发射10次，每次发射35吨，那么每年能发射12.8万吨有效载荷，10年内发射成本可降至40美元/每千克。Gen-2系统建设成本预计为670亿美元，每年可运输超过30万吨货物和40万名乘客，每人次太空旅行只需13000美元。磁悬浮发射系统一旦研制成功，有望将航天发射成本在现有基础上降低两个数量级，产生巨大的经济效益。

    从技术发展趋势来看，短期内用电磁发射系统直接将载荷送入轨道仍然十分困难。不过，磁悬浮助推发射与组合动力飞行器结合的方案明显具有可行性。首先，磁悬浮助推发射可以减少推进剂携带量，提升运载能力，降低组合动力飞行器的设计难度。其次，近年来超导磁悬浮技术快速发展，石墨烯超导材料使室温超导成为可能，磁悬浮系统的建设成本很可能大幅降低。另一方面，直线电机已经在轨道交通中大量应用，而且美国和中国都已装备航母舰载机电磁弹射系统，可在100米内将30吨的战斗机加速至大约100m/s的起飞速度，电磁发射系统的拖动装置可以利用货架产品。随着电磁炮等技术的发展，大功率储能和电源装置正在逐渐成熟。此外，发射动力学的研究也已经有了一定基础。因此，磁悬浮助推发射系统只需在现有技术基础上提升改进，并不存在未知的技术障碍，但是需要强大的技术整合能力。

    目前，随着相关技术的成熟，磁悬浮助推发射技术的研究逐渐升温。NASA计划在肯尼迪航天中心建设一条两英里长的加速轨道，发射大型高超声速载机，并使用第二级将有效载荷送入轨道。2016年4月，美国空军进行了磁悬浮助推发射试验，使用640米长的轨道，在2s内加速至283m/s，未来的目标是加速到10倍声速，即3400m/s。同时，中国的航天科工集团、西南交通大学、中科院电工所、北京航空航天大学、中科院力学所等多家单位也在进行相关研究。据报道，航天科工的羽舟、轻舟火箭将由地面大型电磁弹射系统发射，计划2020年完成电磁发射演示系统建设及原理验证。航天科工参与研制的真空管磁悬浮高铁T-Flight，最大速度可达4000km/h。试想如果加大拖动功率，而且轨道足够长，就能把RBCC飞行器直接加速到冲压发动机的起动速度，而且加速度远小于火箭，有利于降低飞行器的结构质量。这样同时实现高比冲、高运载系数和完全可重复使用，发射成本可能降低至不可回收火箭的1/20以下，即每千克300美元，而且水平降落后不需要复杂的检修和组装，像飞机一样迅速检修、加注燃料、吊装载荷之后就能再次起飞，真正实现廉价、密集发射。

   “社会一旦有技术上的需要，这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”新一轮科技革命的到来，必然极大推动磁悬浮助推发射技术的发展。可以预测，磁悬浮发射系统一旦实现商业运营，其发射报价将远远低于绝大多数化学火箭，包括垂直回收使用的火箭，将重新定义商业航天。这对于具有“大批量”航天发射任务而言，具有相当的吸引力。可以设想，在2050年前后，太空发射、太空旅游会变得和今天的航空运输一样寻常，低廉的运输成本使得空间太阳能电站、太空采矿、太空工厂乃至太空殖民成为现实，人类将通过开发太空资源真正实现可持续发展。这并非是人们的幻想。2020年9月18日，在中国航天大会上，中国科学院院士、中国航天科技集团有限公司科技委主任包为民说：2045年中国要实现１小时全球抵达、地面与轨道间的航班化航天运输。每年总飞行次数达千次量级，总货运万吨级，总客运万人次，以此满足我国航天重大任务和商业化运营需求。

    综上所述，对于各种廉价发射途径的探讨研发，世界各国的航天科学家和工程师们一直在不懈地努力，相信人类降低发射成本的目标终将实现。