本文來自微信公眾號：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids）,，作者：犀牛

想要省錢,，但要先花很多錢，你干不干,？

浩大的航天工程就是這么?。╯hao）錢的。

“太空”這兩個字筆畫不多,，里外都透著昂貴的氣息,。一枚造價不菲的火箭，使用一次就報廢了,；更別說在精密復(fù)雜的航天工程中,，稍有不慎就容易造成發(fā)射失敗，到時候更是白白浪費(fèi),。如果這些一次性的火箭能多次使用,，不就省大錢了,？

航天飛機(jī)就是在這個思路下應(yīng)運(yùn)而生的。從1981年~2011年的30年間,，美國的5艘航天飛機(jī)共執(zhí)行了135次飛行任務(wù),，可重復(fù)性毋庸置疑。

但事與愿違的是,，平均每次發(fā)射的費(fèi)用反而更高了,，甚至高達(dá)15億美元左右。要知道一般“火箭+飛船”的送人發(fā)射成本也就1億美元左右,?？墒蔷退愀冻隽烁甙旱木S護(hù)費(fèi)用，也還是沒能避免1986年挑戰(zhàn)者號和2003年哥倫比亞號航天飛機(jī)的嚴(yán)重事故,，最終以退役收場,。

美國的航天飛機(jī)——太空運(yùn)輸系統(tǒng)STS（Space Transport System）

盡管想省錢的航天飛機(jī)沒少燒錢，但重復(fù)利用的省錢思路依然很受追捧,。比如現(xiàn)在名聲大噪的獵鷹系列火箭便是此中翹楚,，也是目前現(xiàn)役火箭中唯一的可復(fù)用火箭。

其實早在航天飛機(jī)出道的年代,，這樣的省錢計劃就不斷涌現(xiàn),。

1982年，英國宇航公司開始和勞斯萊斯股份公司（Rolls-Royce PLC,，并不是那個出名的汽車公司）開始牽頭研發(fā)Hotol空天飛機(jī)，Hotol可以像飛機(jī)一樣從跑道起飛,，直接進(jìn)入太空軌道,，也可以像飛機(jī)一樣在跑道降落。因為中途不需要拋掉燃料箱,，所以這種單體直接進(jìn)入太空軌道的方式也叫做單級入軌,。最初英國宇航公司預(yù)期Hotol的發(fā)射成本為航天飛機(jī)的20%。

Hotol 空天飛機(jī)模擬圖 @Nick Stevens Graphics

Hotol空天飛機(jī)能直上太空得益于它的發(fā)動機(jī),。這種發(fā)動機(jī)在較低的大氣層內(nèi)可以利用大氣的氧氣燃燒提供動力,，到達(dá)高層或進(jìn)入高速時就轉(zhuǎn)為一般的火箭發(fā)動機(jī)模式，燃燒自帶的氧化劑來提供動力,。所以Hotol本身不需要儲存太多氧氣,，故而機(jī)身大大減小，僅相當(dāng)于一個中型客機(jī)的大小,，機(jī)身長度大概只有美國航天飛機(jī)的一半,。

但這個項目在1989年就終止了，究其原因,，除了技術(shù)難度巨大,，關(guān)鍵是太費(fèi)錢了,，后續(xù)資金跟不上了。其實也不是沒人愿意出資,。1985年,，勞斯萊斯股份公司向美國尋求發(fā)動機(jī)技術(shù)方面的合作，而美國空軍也對該項目很感興趣,。只是英國宇航公司和英國國防部擔(dān)心一旦和美國合作,，將喪失該項目的領(lǐng)導(dǎo)地位，同時又顧及和歐洲的長久合作,，所以就沒接美國的橄欖枝,，試圖繼續(xù)在歐空局的框架下合作。

不巧的是,，歐空局的成員國中心有靈犀的不多,。不少成員國被50億英鎊的成本和最長20年的開勸退，更別提法國還旗幟鮮明地反對,，畢竟他們自家也設(shè)計了一款競品——Hermes航天飛機(jī),。Hermes自1975年就開始設(shè)計，1987年由歐空局主持開發(fā),，這也意味著Hotol項目在歐空局失寵,。Hermes航天飛機(jī)可以看成是大一號的美國航天飛機(jī)，不過和后者不同的是,，Hermes發(fā)射時是安裝在火箭頂部,。

Hermes效果圖（上）@ESA @Mark Wade，1987年建造的Hermes模型（下）@Pyperpote

同樣是因為成本過高且技術(shù)目標(biāo)難以達(dá)到,，Hermes項目止步于1992年,。但歐空局也沒有完全放棄這一省錢思路，在2000年后繼續(xù)可復(fù)用太空運(yùn)載工具的研究——Hopper,。Hopper曾有多個方案,，包括水平起飛和垂直起飛，最終選擇了水平起飛的方式進(jìn)一步研發(fā),。德國牽頭制造了Hopper的原型機(jī)Phoenix,，長度不到6米，相比之下一個Hopper有7個Phoenix那么大,。Phoenix于2004年進(jìn)行了滑翔測試,，不過之后就再沒音訊，官網(wǎng)現(xiàn)在也打不開了……

Phoenix @ILA

Hotol項目雖然終止了,，但它的技術(shù)積累并沒有浪費(fèi),。當(dāng)初Hotol的發(fā)動機(jī)是建立在工程師艾倫·邦德（Alan Bond）的研究之上的，邦德也是Hotol項目的共同創(chuàng)建人,。Hotol項目終止之后,，他便帶領(lǐng)發(fā)動機(jī)研發(fā)的主要成員組建了新的公司REL（Reaction Engines Limited）,，在原來的基礎(chǔ)上研發(fā)佩刀發(fā)動機(jī)（SABRE）以及配套的云霄塔空天飛機(jī)（SKYLON），仍與當(dāng)初研發(fā)Hotol的目標(biāo)一致——實現(xiàn)單級入軌,。

佩刀&云霄塔宣傳視頻 @REL

之前最大的難題之一是溫度控制,，高速飛行時經(jīng)過發(fā)動機(jī)的氣流能產(chǎn)生1000℃以上的溫度，但之前的技術(shù)很難把溫度降下來,。而在2012年佩刀發(fā)動機(jī)做到了,，其所用的強(qiáng)預(yù)冷技術(shù)可以在0.05秒內(nèi)將400千克/秒量級的空氣降溫1100℃。

佩刀發(fā)動機(jī)切換工作模式示意圖 @REL

因為進(jìn)展較為順利,，項目從最初由私人資金支持,，到后來歐空局、英國航天局,、美國空軍實驗室等的資金紛紛而來,。2015年，佩刀發(fā)動機(jī)通過了美國空軍研究實驗室的可行性評估,，預(yù)計在2020年驗證等比例縮小的佩刀發(fā)動機(jī)測試模型,。如果順利，它將在2025年進(jìn)行發(fā)動機(jī)的飛行試驗,。云霄塔空天飛機(jī)（SKYLON）設(shè)計的重復(fù)使用壽命可達(dá)200次,，發(fā)射成本也大大降低，如果成功將是革命性的突破,。

還記得當(dāng)年申請加入“Hotol群聊”,，但沒被通過的美國嗎？被拒之后,，美國在1986年啟動了自己的單級入軌計劃——美國國家空天飛機(jī)（NASP）,。1990年，該計劃中第一架研制的空天飛機(jī)被命名為X-30（羅克韋爾公司研制）,，但由于嚴(yán)重的技術(shù)問題導(dǎo)致項目失敗，最終于1993年被取消,。

X-30圖模擬圖 

同一時期,，美國還有一款可復(fù)用的單級入軌運(yùn)載火箭正在研發(fā)中，就是麥道公司研制的DC-X,。DC-X是前期的測試機(jī)型,，主要為了驗證垂直起降的技術(shù)，所以箭身也只有原計劃的三分之一大小,。在1993年進(jìn)行了第一次測試飛行,，此后一共進(jìn)行了8次測試飛行，飛行的最高高度達(dá)到2500米,。不幸的是,，在最后一次測試中船體損壞,，但賬面上沒錢維修了……

DC-X發(fā)射效果圖（左）和首次降落測試照（右）

后來在1996年，DC-X的技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了NASA,，NASA建造了它的升級版——DC-XA,。但它和NASA自家的冒險之星（VentureStar）項目形成競爭，而NASA將重心放在了后者身上,，所以DC-XA在飛行測試了4次之后就沒有然后了,。

冒險之星模擬圖

冒險之星就是沖著取代航天飛機(jī)去的。和航天飛機(jī)類似的是,，冒險之星也是垂直發(fā)射升空,、像飛機(jī)一樣降落地面，優(yōu)勢在于冒險之星沒有巨大的燃料罐和固體火箭助推器,，且飛行中無人駕駛,。最重要的是確實省錢，其衛(wèi)星發(fā)射成本預(yù)計只有航天飛機(jī)的十分之一,。

航天飛機(jī)和冒險之星的大小

然而冒險之星也沒能冒險成功,。其等比例縮小的驗證機(jī)X-33在測試時事故頻發(fā)，技術(shù)問題未能解決,、成本又超支,，最終該項目于2001年被取消。

反而冒險之星的手下敗將DC-X,，卻以另一種方式煥發(fā)了新生,。藍(lán)色起源公司雇傭了為DC-X工作過的工程師，后來建造的新謝潑德火箭便是受到了DC-X的啟發(fā),。新謝潑德火箭是亞軌道火箭,，主要用于商業(yè)太空旅游，在2015年的測試中成功從太空返回并垂直著陸,。而該公司的可復(fù)用軌道火箭——新格倫火箭也已在研發(fā)中,，目前已經(jīng)了拿下了不少太空發(fā)射訂單。

新謝潑德火箭起降方式 @Blue Origin

新謝潑德火箭垂直降落 @Blue Origin

在重復(fù)利用這條省錢道路上,，最成功的航天項目莫過于美國spacex公司的獵鷹系列火箭,。目前獵鷹9號發(fā)射一次的基本報價為6200萬美元，是市面上的較低水平,，再加上獵鷹9的芯級回收已經(jīng)是家常便飯,，價格還有很大的降價空間，只是目前沒有降價打折的必要,。比如明天凌晨發(fā)射的獵鷹9號火箭,，已經(jīng)是一枚經(jīng)驗豐富的4手火箭了。

獵鷹重型火箭回收芯級 @SpaceX

獵鷹火箭的技術(shù)并非全是spacex公司純自主研發(fā)，而是站在了前人的肩膀上,。其最核心的發(fā)動機(jī)材料,、可復(fù)用飛船的隔熱材料等技術(shù)，都繼承自美國航天飛機(jī),。

所以,，之前的種種嘗試，不論成功或是失敗,，都不會白費(fèi),，沉淀下來的將成為未來揮動翅膀的肌肉?；蛟S,，之前失敗的那些航天計劃也會在未來重新閃耀光輝。

航天工程的省錢（失?。┲?，像不像你的減肥（失敗）之路：想減肥卻吃的更多了……

本文來自微信公眾號：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids）,，作者：犀牛