發射升空的獵鷹重型火箭（來源：SpaceX）

　　據美國太空探索技術公司（SpaceX）官網消息，北京時間4月12日6時40分左右，有“現役運載火箭之王”之稱的“獵鷹重型“火箭在卡納維拉爾角發射場首次商業飛行發射成功，三枚一級火箭實現回收。這一事件標誌着人類商業太空探索的一大突破。

　　這是“獵鷹重型“火箭的第一次商業飛行，發射目的是要將一顆沙特通訊衛星送入地球同步軌道，其最大看點則是SpaceX會同時將助推級火箭與芯級火箭回收。直播畫面顯示，其成功在LZ-1和LZ-2着陸區同時回收兩枚助推火箭，並在海上駁船回收芯級火箭。

　　1969年7月20日，航天員阿姆斯特朗走出登月艙踏上月球，完成了人類首次踏足地外天體的“偉大一步”。2019年，正是人類登月50週年的紀念日。阿波羅計劃時期約翰·肯尼迪總統“我們選擇去月球”的演講至今猶在耳畔。

　　無論是美蘇冷戰時期的“阿波羅計劃”，小布什時期的“星座計劃”（Constellation Program），奧巴馬時期的“小行星重定向任務”（Asteroid Redirect Mission，ARM），還是如今特朗普的“重返月球”，美國所有的深空載人任務都離不開一個必要的組成部分——重型運載火箭。

　　重型火箭劃分方式衆多，美國人通常將近地軌道運力高於50噸的運載火箭稱之爲重型運載火箭（Super-heavy Lift Vehicle，直譯爲超重型運載火箭）。迄今爲止，美國符合這一標準的主要有已經功成身退的“土星5號”（Saturn V），備受爭議的航天飛機（Space Shuttle），中途夭折“戰神5號”（Ares V），不斷推遲的“太空發射系統”以及尚在規劃的“大獵鷹火箭”（Big Falcon Rocket，BFR）。

　　土星5號——美國重型火箭的開端

　　作爲人類第一型也是最成功的重型運載火箭，土星5號的誕生拉開了美國50多年來重型運載火箭研發及隨之而來的載人深空探索的序幕。土星5號近地軌道運力高達140噸，火箭全高110.6米，直徑10.1米，起飛推力高達3580噸，火箭質量2970噸，相當於36層樓高。土星5號於1967年11月9日首飛成功，1973年退役。

　　土星5號的各級設計充分綜合了不同推進劑組合的優勢和技術水平，得到了相當可觀的運力水平和可靠性，累計13次發射，12次成功，1次部分成功。火箭一級採用5臺F-1液氧煤油發動機推動。F-1是有史以來人類製造的推力最大的單燃燒室液體火箭發動機，推力僅次於四燃燒室的蘇聯RD-170發動機。F-1採用結構簡單的燃氣發生器循環，這種循環雖然效率較低，海平面比衝僅有263s，但維持了足夠的推力和可靠性，與蘇聯時期“四射四爆”的N1重型運載火箭形成鮮明對比。二級採用J-2液氫液氧發動機，此外爲應對火箭三級超重，二級創新性的採用了共底設計。以上各種都保證了足夠的高軌運力，只需一次發射就將指令艙、服務艙、登月艙組合體和三名航天員送入奔月軌道。

　　土星五號歷次發射

　　土星5號在支撐6次成功登陸月球之後，公衆似乎已經厭倦了“插旗式”的載人登月項目，加上當時土星5號每次發射耗資高達1.85億美元（相當於現在80億人民幣），時任總統尼克松對阿波羅計劃“痛下殺手”，人類的載人月面探索之路戛然而止。但爲了合理利用阿波羅計劃的遺產，爲後續航天飛機和長期載人空間站積累經驗，美國研發了其首個載人空間站，並取名“天空實驗室”（Skylab）。它的設計十分特別，是由土星5號運載火箭的第三級改造而來，長25.1米，艙段直徑6.6米，內部加壓空間351.6立方米。和同年發射的蘇聯“禮炮-2”空間站對比起來簡直是“壕”無人性，如果說18.5噸的“禮炮-2”空間站是“蝸居”的話，重達77噸的天空實驗室就是名副其實的“豪宅”。

　　天空實驗室，可見遮陽傘和單側太陽能電池板

　　天空實驗室之後，土星5號重型運載火箭隨之退役，直接導致後續的45年間美國再無如此龐大的空間站艙段進入太空。歷史總是驚人的巧合，曾研發“能源號”（Energia）重型火箭的蘇聯也已變成只有20噸級“質子”（Proton）火箭的俄羅斯。受航天飛機和質子火箭的運力和整流罩（貨艙）空間限制，國際空間站只能採用多次發射並在空間組裝的方式完成，間接導致空間站結構更加複雜，艙外安裝調試活動也隨之增加，成本也間接上升。雖然國際空間站的內部空間是天空實驗室的近3倍，但是受艙段直徑的束縛，空間和舒適性反倒有所下降，而天空實驗室僅利用兩次發射便完成了搭建、修復並投入使用，可見重型運載火箭在大型空間結構部署過程中的獨特優勢。

　　如此看來，NASA痛下殺手終結土星5號感覺是在自廢武功，但其實並非如此。在美蘇冷戰的歷史背景之下，美國人極力想通過載人登月一舉反超蘇聯航天，土星5號的設計幾乎僅瞄準載人登月，難有其他構型和用途。火箭的設計、製造、試驗上幾乎不計成本，僅研發F-1發動機過程中爲解決燃燒穩定性而進行的大量全尺寸試車就耗費了天文數字的經費，這在今天都是難以想象的。

　　航天飛機時代，改頭換面的重型火箭

　　當登月大戰偃旗息鼓之後，一次性運載火箭高昂的成本讓航天預算緊縮的NASA難以承受，雖然也曾有過基於土星火箭的回收方案，但最終都停留紙面。另一方面，土星5號的締造者馮·布勞恩的目光則放的更遠，這位“火星迷”其實早在阿波羅11號登月的17年前就撰寫過《火星計劃》（Mars Project，德語原名Das Marsprojekt）這本書，書中詳細記述了通過多次發射，在地球軌道組成龐大的地火轉移飛船，最終使人類踏足火星的構想。然而這個宏偉藍圖和NASA日趨緊縮的預算形成了巨大的反差，再加上美國空軍的參與，美國開始研發一款新型的可重複使用的新型太空運輸系統——航天飛機。顧名思義，它的目的是通過重複使用大幅降低發射成本，同時實現高密度航班化的航天發射。

　　航天飛機高56.1米，寬8.7米，質量2030噸，雖然近地軌道運力僅有27.5噸，但事實上航天飛機乾重68噸的可複用軌道器也是入軌質量之一，因此其實際的近地軌道運力已超百噸。

　　航天飛機採用3臺RS-25分級燃燒液氫液氧發動機和2枚推力高達1270噸的固體火箭助推器，RS-25爲可重複使用設計，真空比衝高達452s。包括這兩款發動機在內的一系列技術爲後續美國重型火箭的研發和設計迭代產生了深遠的影響，其中很多設計理念乃至關鍵技術都延用到了後來的“戰神”系列運載火箭和現在的“太空發射系統”。

　　航天飛機和哈勃

　　航天飛機在服役期間，對國際空間站的建造和運行起到了關鍵作用，同時也執行了諸如在軌捕獲衛星（亞洲一號）和哈勃望遠鏡在軌維修等在航天飛機出現前都難以實現的挑戰性任務。但在1986年“挑戰者號”起飛時凌空爆炸和2003年的“哥倫比亞”號返回解體事故後，加之機體老化和翻修成本的一路飆升，航天飛機日漸背離了當初設計時的“初心”。再加上其本身高軌運力的不足和缺乏逃逸手段等一系列固有設計缺陷，航天飛機逐漸成爲了人類重返深空的桎梏。雖然美國人也曾多次嘗試改進航天飛機(X33、Shuttle C等)，但終究未能成真。

　　2011年7月21日，美國“亞特蘭蒂斯”號航天飛機在肯尼迪航天中心安全着陸，長達30年的航天飛機時代宣告終結，退役後航天飛機陸續進入博物館供後人瞻仰。當年著名雜誌《經濟學人》的封面文章曾用“太空時代的終結”來標誌航天飛機的退役。它的退役堪稱人類對可複用航天器最絕望的一個時代，後來的發展也似乎印證了這個觀點。

　　戰神計劃——

　　即使是倒退重組，也難逃中途夭折

　　星座計劃（Constellation program）是NASA在小布什總統時期推出的一項太空探索計劃，整個計劃包括一系列新的航天器、運載火箭，將在包括國際空間站補給運輸以及登月等各種太空任務中使用。星座計劃的目的是使美國擺脫近地軌道的束縛，再次劍指深空，重新將人類送出近地軌道。

　　由於航天飛機的退役，美國恢復重型火箭的目標已經十分明確，但是過程異常坎坷。事實上，在挑戰者號事故後3年的1989年，老布什政府便宣佈支持在計劃中的自由空間站（國際空間站前身）建造完成後進行更龐大的載人深空探測。NASA在1989年10月公佈了可能方案的研究結果，包括重返月球，建立永久月球基地以及載人登火等方案都赫然在列。但毫無疑問，作爲NASA官方進行的第一次可行性研究，載人火星登陸吸引了最多的眼球。如果肯尼迪在1962年激情澎湃的登月演說奠定了NASA將近30年的發展方向，那這份在距今約30年前誕生的研究報告，則奠定了NASA從1990年至今乃至近未來的發展方向。由於NASA完成研究正好耗時90天整，這份報告便有了一個響亮的名字：“90天研究（90 Days Study）”。

　　戰神系列火箭的第一次也是唯一一次發射

　　但到了小布什時期，目標變爲更加實際的“重返月球”，同時美國人需要一款“新”重型運載火箭的訴求愈加強烈。可惜的是，自從航天飛機的黯然落幕之後，美國官方的重型火箭設計思路上出現了一次“倒退”：不再追求新技術和可重複使用，轉而最大限度地利用阿波羅時期和航天飛機時期的技術遺產，重新“拼湊”一款重型運載火箭，以滿足NASA在有限經費下進行深空載人任務的需求。因此戰神系列一次性運載火箭應運而生，其設計吸取了航天飛機時代因缺乏必要的逃逸手段而導致慘烈事故的教訓，採用了人貨分離的設計思路，主要設計有戰神1和戰神5兩款運載火箭，戰神1負責發射獵戶座載人飛船，而其餘登月模塊則交由戰神5重型火箭負責。戰神5號運載火箭爲兩級設計，高116米，直徑10米，設計近地軌道運力高達188噸，起飛級採用5臺RS-68液氫液氧發動機，這種發動機實質是航天飛機RS-25發動機的一次性簡化版，現用於德爾塔4系列火箭。搭配兩枚航天飛機所採用的固體火箭助推器，火箭二級採用土星5號的二、三級發動機J-2的改進型J-2X。可以說，“戰神”從頭至尾都是已有技術遺產的重新排列組合，意圖又快、又省地“復活”美國的重型火箭。

　　但2010年，因美國兩黨的執政輪替，時任總統奧巴馬痛下殺手終結了星座計劃，戰神系列火箭、牽牛星登月艙等亦被牽連，只有獵戶座深空載人飛船僥倖保留下來，後又成爲美國下一款重型運載火箭SLS的“御用飛船”。可惜繼承航天飛機時代技術遺產並有望超越土星5號的戰神5號火箭最終止步於PPT，戰神1火箭的2009年的亞軌道發射也成爲了戰神系列的絕唱。

　　太空發射系統——“廉價”的重型火箭

　　SLS發射示意圖

　　奧巴馬在大揮砍刀之後，發現航天飛機的大量工人轉崗就業無門，技術遺產面臨廢滯，NASA也再無旗艦級的載人深空項目，於是換湯不換藥的祭出了太空發射系統。SLS具有人貨混運和純貨運多種構型，最小構型近地軌道運力僅75噸，最大構型運力仍未超越半世紀前的土星5號。

　　技術上SLS對航天飛機的繼承更加直接，一級發動機直接採用航天飛機退役後剩餘的RS-25發動機，助推器採用改進後的航天飛機固體助推器。二級設計方案多變，採用單臺RL-10B2液氫液氧發動機(ICPS)，未來傾向於採用4臺RL-10並聯(EUS)，RL-10曾長期服役於半人馬系列上面級，性能優異設計可靠。此外，NASA也曾考慮過重新恢復生產土星5號的F-1發動機來打造“先進助推器”（Advanced Boosters），但因爲承包商波音本身超支嚴重，設計一改再改，製造過程風波不斷，此事只能作罷，同時首飛時間一拖再拖，目前首次發射任務EM-1已經推遲到不早於2020年。截至2017年，SLS累計耗資119億美元。結合本年度NASA預算，獵戶座和SLS每年要燒掉高達37億美元，到首飛時SLS研發成本將升至150億美元左右，而整款火箭沒有采用任何新研發的發動機，沒有任何顛覆性的新技術，最關鍵的是承包商波音還在聲稱這是一款單次發射僅需3到5億美元的“低成本”重型火箭，而業界分析其實際單發成本已經飆升至驚人的15到25億美元。但接棒的特朗普政府已然騎虎難下，只能硬着頭皮走下去。

　　其實筆者認爲，SLS和戰神5並無本質區別，所依附的載人深空探索路線圖也是一脈相承。因此若非兩黨互相傾軋而導致砍刀亂揮，戰神5如今應已首飛數年。曾風靡大熒幕的科幻電影《火星救援》的小說原著正成書於星座計劃時期，細心的觀衆應該還會記得電影中的火星登陸任務名字就叫“戰神”，而在軌組裝大型地火轉移飛船的架構也正出自於NASA的DRA載人火星任務架構，在該架構中“戰神”系列重型運載火箭發揮着無可替代的重要作用。但每次登火都需要大量的戰神火箭執行密集發射，即使“戰神”再便宜，本質仍是一次性設計，其總任務成本仍極其高昂，在NASA現有預算框架下簡直就是天方夜譚。所以重型火箭雖好，無奈價格還是太貴。即使到了SLS和“深空之門”(deep space gateway)的今天，這個困境仍未解開，業界一直期待着一個顛覆者。

　　半路殺出的SpaceX

　　2018年2月6日，美私營航天企業SpaceX的重型獵鷹運載火箭在推遲數年後終於首飛成功，27臺發動機並聯轟鳴和兩枚助推器返場降落回收的壯觀景象令人印象深刻。這款採用“推力不夠數量湊”思路研發而成的火箭憑藉63.8噸的近地軌道運力堪堪擠進重型火箭序列。它的成功終結了重型火箭只是大國博弈的思維定式。

　　重型獵鷹的成功並未讓SpaceX心滿意足，其新一代重型運載火箭BFR的研發也已提上日程。相對於保守的SLS，BFR的設計思路相當激進，火箭爲兩級設計，全箭僅採用一款代號“猛禽”的全流量分級燃燒液氧甲烷燃料發動機，儲箱採用大直徑碳纖維複合材料製成，加上獵鷹9號和龍飛船積累的回收和複用經驗，SpaceX意圖打造一款可完全重複使用的、低成本的重型運載火箭。但考慮其巨大技術難度和尚不明確的商業前景，其能否最終成功並取得預期經濟效益還有待觀察。

　　縱觀半個多世紀以來的重型火箭發展歷史，重型火箭在大規模深空載人探索任務和旗艦級無人深空探索項目中發揮着無可替代的作用。但是從土星5號的輝煌過後，美國重型火箭的研發就陷入了一段漫長而曲折的過程，經歷了數不清的探索、創新、倒退、反覆，空耗了半個世紀的光景。可以說，美國任何一項龐大航天計劃最大的對手並非是浩渺無垠的深空，而是4年或8年一次的兩黨輪替和隨之帶來的航天政策搖擺。

　　近年，來勢洶洶、發展迅速的民營航天正逐步包攬着各種近地軌道發射任務，旗下火箭運力也是越做越大，不少都意欲擠進重型火箭的行列。美國航天正處在一個前所未有的變革時代，雖然NASA仍不想放棄引領地位，但這種蹉跎、徘徊的政治體制弊病已無可避免的束縛了它的前進。在現任總統特朗普和新任NASA局長任內，能否完成NASA的變革並重現重型火箭和載人深空探索的輝煌，讓我們拭目以待。

　　文/田 豐