廉价航天发射路在何方？

2019年7月25日，中国民营运载火箭首次成功把卫星送入轨道，在这个具有历史意义的时刻，有必要进行一些思考。

人类实现动力飞行以来，一直在努力研制更高更快的飞行器。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均没有明显扩大。受限于昂贵的航天发射费用，广阔的太空并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，商业航天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，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。未来上万吨设备和物资需要进入太空，发射成本有必要在当前基础上下降一个数量级。

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利用燃烧释放的化学能产生推力。由于火箭需同时携带燃料和氧化剂，推进剂的能量密度很低，发动机比冲较低（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360s）。由于比冲较低，为了使发动机产生足够大推力、工作足够长时间，需携带大量推进剂，因而相当一部分推进剂的能量其实被用于托举其他推进剂，导致能量浪费。而且推进剂需要巨大的贮箱来携带，导致化学火箭尺寸庞大，结构质量巨大，制造困难。这使得火箭能携带的有效载荷很小，仅占火箭起飞质量的5%以下，而推进剂占起飞质量的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%，而著名的登月火箭土星五号，起飞质量3000吨，近地轨道运载能力119吨，月球轨道运载能力45吨，运载系数仅为4%左右。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。

土星五号（左）和重型猎鹰（右）

火箭垂直回收并重复使用方案，据称能够大幅降低发射成本。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（两枚助推器陆上回收，芯一级海上回收），受到广泛关注。然而，火箭垂直回收方案有明显的局限性。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，只能在坠入大气层后烧毁，成本降低有限。而且火箭越大，第二级的制造成本越高，总成本难以大幅降低。其次，垂直回收需预留降落段推进剂以及安装栅格翼、着陆腿等附加机构，增加火箭的死重，使得火箭运载能力降低15%~50%，大型火箭运载能力降低更严重。例如，猎鹰9火箭的GTO运载能力，在一次性发射与垂直回收的技术状态下，分别为8.3吨和5.5吨；对于猎鹰重型火箭，一次性发射与垂直回收时分别为26.7吨和8吨。可见火箭垂直回收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、运载能力降低，是火箭垂直回收方案的硬伤。

重型猎鹰火箭助推器垂直回收

二子级无法回收使得火箭发射成本降幅有限

下面解释一下为什么火箭的二子级无法回收。2018年4月，SpaceX的首席执行官埃隆·马斯克表示，计划使用巨大的氦气球回收火箭第二级。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）。仍然以猎鹰9火箭为例，火箭发射后达到80千米高度时，第一级分离，此后第一级继续向上滑行，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。SpaceX炒作的另一个亮点是“第二级直送地球同步轨道”，如果第二级能从地球同步轨道返回并回收使用，那可能是外星黑科技，因此下面只讨论第二级从低轨道返回的情况。

SpaceX公司发布的猎鹰9任务剖面，可见第二级没有回收

此时回收第二级有四个难点：

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，单台发动机要保持稳定下降，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，已经消耗了第一级和第二级的大量推进剂，第二级每保留1kg推进剂，整个火箭的死重估计会增加15kg以上，更不用说第二级用于垂直回收的栅格翼和着陆腿也是死重，都会挤占有效载荷，这样火箭的运载能力将进一步大幅下降，单位质量的发射成本必然大幅上升，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。火箭第二级重返大气层后，要在运动中勾住气球的挂钩，回收成功率显然低于垂直回收，发射成本同样难以降低。

另一种降低发射成本的思路是使用冲压发动机。冲压发动机利用大气中的氧气作为氧化剂，其比冲明显高于火箭，但是无法在大气层外飞行。因此人们设想把冲压发动机和火箭的优点结合起来，形成了吸气式两级入轨运载系统和火箭基组合循环动力（RBCC）概念。吸气式两级入轨系统由高超声速载机和搭载的第二级组成，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，然后滑翔返航。RBCC推进系统整合了火箭发动机和冲压发动机，可水平或垂直起飞，飞行空域广，但是需携带氧化剂，推进剂重量约占起飞重量的70%。RBCC发动机的技术风险较低，可作为两级入轨运载系统的第二级。

不同推进系统的比冲曲线

两级入轨和RBCC的比冲高，可完全重复使用，然而技术难度仍然很大，数十年来研发项目层出不穷，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，这样推进剂携带量与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。如果为了起动冲压发动机，又在第一级载机上额外安装涡喷发动机，那么死重增加更多，运载系数更低。以航天科工正在研发的“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，每次检修的工作量很可能超过重复使用火箭。RBCC的问题是，如果从地面零速度起飞，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，这一阶段将消耗大量推进剂，严重制约飞行器的最终爬升高度和运载能力。

“螺旋”两级入轨系统概念（左）与GTX飞行器概念（右）

降低发射成本的第三种思路是，在地面上赋予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。

NASA的磁悬浮发射试验装置（左）和MagLifter概念设想（右）

MagLifter系统发射的组合动力飞行器示意图

约翰·霍普金斯大学提出了StarTram磁悬浮发射概念，针对不同的用途，可分为Gen-1货物发射系统和Gen-2人员发射系统。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。

StarTram磁悬浮发射系统示意图

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，而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：

1. 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。众所周知，宽速域冲压发动机（低速和高速条件下都能以高性能工作）的研制难度很高，必须作出大量妥协，使得飞行器总体性能趋于平庸，甚至无法实现设计目标。如果使用磁悬浮助推发射，不必过多考虑低速（Ma<2）飞行的气动、燃烧等问题，避开火箭引射推力效率低的难题，节省推进剂用于爬升。

2. 近年来超导磁悬浮技术快速发展，石墨烯等等新型超导材料可实现高温甚至室温超导，磁悬浮系统的建设成本很可能大幅降低。

3. 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。

4. 随着电磁炮和电磁弹射等技术的发展，大功率储能和电源装置逐渐成熟。

5. 磁悬浮助推发射动力学的研究也已经有了一定基础。

综上所述，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，这一点正是目前中国所擅长的。

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。

中国的航天科工集团、西南交通大学、海军工程大学、中科院电工所、北航、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，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，而且水平降落之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。

NASA设想在肯尼迪航天中心建设磁悬浮发射系统

中国真空管道磁悬浮高铁T-Flight概念

“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。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。