什么火箭可以上天入地7次？
2020年11月25日，SpaceX最新一批60颗星链卫星上天，负责此次任务的依然是猎鹰9号，这次任务有一大亮点，亦可以说是SpaceX的一大记录，那就是这枚猎鹰9号的一级助推器已是一枚7手火箭！没错！在执行这次任务之前，它已成功执行了6次任务并全部回收成功！第7次执飞之旅表现的依然稳健！
猎鹰9号的一级火箭到底是怎样回收的？复用7次的一级火箭到底能给SpaceX节省多少成本？欢迎再次造访星舰，本期内容，舰长就给大家仔细探讨一下上面提及的猎鹰9号的两个核心问题，对了， 关注一波绝对不会吃亏！
在SpaceX研发可复用火箭的初期，马斯克曾向世人表态：
如果有人能让火箭的复用效率像飞机一样高效，那么人类进入太空的成本最多可以降低99%！虽然目前还没人能研发出完全可复用的火箭，但这项技术是人类彻底改变太空使用权的根本突破！
当时世人纷纷怀疑：“复用火箭？怎么复用？难不成火箭还能自己飞回来？”。2015年12月，SpaceX成功让一枚执行正式任务的猎鹰9号一级火箭自己降落到了陆地回收平台，世界一片哗然！这种在电影中才能看到的科幻镜头，猎鹰9号到底是怎样做到的呢？
首先在构造上猎鹰9号由两部分组成，一枚一级助推器和一枚二级火箭，二级火箭中只有整流罩可以以降落伞的方式收回，其它部分在载荷分离之后便被舍弃在了太空，一级助推器一般在将二级火箭送到约100公里高度的大气层边界时与二级火箭分离，然后启动回收模式自己飞回地球，供一级助推器垂直降落的设备有两种，一种是陆地上固定的接收平台，另一种是在公海等待的约足球场大小的无人船。至于SpaceX选择哪种方式，取决于载荷的目标轨道，比如如果从美国南部的SpaceX发射中心将载荷送入极地轨道，那么猎鹰9号在起飞之后要朝向北极方向飞行，其一级助推器也就只能降落到美国大陆上了，多数情况下，SpaceX会让一级助推器降落到无人船上，至于为什么，后续会有提及。
猎鹰9号从点火到载荷部署的过程跟其它火箭并无二致这里不再多言，一级火箭跟二级火箭分离之后，一级火箭飞向海面接收平台的过程大致包括6个环节：第一是“熄火机动翻转”，第二是“逆推点火”，第三是“展开栅格鳍”，第四是“大气降速点火”，第五是“空气动力重定向”，第六是“极速着陆点火”，每个环节执行的核心工作大致如下：
一、熄火机动翻转：
猎鹰9号一级火箭的顶部共配备了8台冷气推进器，冷气推进器是多数火箭和航天器的标配，它的构成相对简单，只需要一个高压惰性冷气仓，一些配套管线和一个喷嘴，它的常用功能是调整火箭姿态和修正航天器的运行轨道，猎鹰9号一级火箭的8台冷气推进器分两组安装在头部两侧，每组4台，可以向8个均等的方向快速喷气，实现一级火箭水平方向的全方位倾角修正。
有了这8台冷气推进器的协助，猎鹰9号一级火箭便可在空中以火箭底部为圆点，以箭体长度为半径，以火箭顶部为摆动点实现360度各方向的姿态调整。一二级火箭分离之后，一级火箭的发动机熄火，在其到达抛物线轨迹的顶点时，冷气推进器开始全力工作，火箭顶部开始“刹车”，火箭底部借助惯性继续前进，最终实现底部引领坠落的调头姿态，这就是机动翻转。
二、逆推点火
熄火机动翻转调整完姿态之后，一级火箭其实还具有很大的前进速度，逆推点火就相当于在火箭的前进方向上狠狠的踩一下刹车，让火箭快速从前进状态变成下落状态，避免火箭飞出预定的下降空间导致回收失败。
三、开展栅格鳍
猎鹰9号一级火箭上的栅格鳍是由钛合金打造的，钛合金是航天器械的常用材料，它不但强度高，密度还相对较小，可有效降低火箭的负重，熔点达到了1725摄氏度，同时它又能忍受太空的低温。
在猎鹰9号一级火箭的顶部，SpaceX为其配备了均等分布的四个栅格鳍，每片的大小跟家庭餐桌类似，在逆推点火完成之后，火箭顶部的四个贴合在箭体壁上的栅格鳍会伸展开来，跟火箭主体呈90度角，二者通过传动轴连接，借助于空气动力学，旋转的栅格鳍可辅助调节火箭顶部的受力方向，进而调节火箭的倾斜角度和下落方向。
四、大气降速点火
大气降速点火是猎鹰9号回收过程中的重要环节，借助于底部的三台具有矢量推力的梅林发动机，几乎垂直的火箭可以从底部根本性的调整火箭的倾角，这就类似于在你的手掌中竖立一根筷子，你手的一举一动，会对筷子的垂直角度带来根本性的影响。
大气降速点火一般是一级火箭分离之后约7分钟左右开启，此时几乎处于自由落体状态的火箭已经有了很大的下落速度，火箭必须主动降低下落速度以避免过热及失控，这也是大气降速点火环节的核心目的。
五、空气动力重定向
栅格鳍在展开之初其实并未起到明显的作用，等大气降速点火环节结束之后，栅格鳍才开始活跃起来。借助于空气动力学，不断旋转的栅格鳍和不断喷出氮气的冷气推进器，一点一点将下落状态的一级火箭推向在公海等待的无人船。熟悉跳伞的朋友应该知道，在下降过程中，跳伞人员通过舞动自己的双手就能控制下降的方向，猎鹰9号装载栅格鳍也是应用的这个原理。
六、极速着陆点火
猎鹰9号一级火箭从约100公里的最高点降落到海面的过程中，极速高达4700公里每小时，期间只有一次大气降速点火可以较大幅度的降低下落速度，大气降速点火结束之后，一级火箭受重力影响二次加速坠落，这就需要一级火箭跟海面的距离小到一定程度时再次点火逆推，快速将其下落速度缓冲到大约20公里每小时，在距离无人船约200米左右时，一级火箭启动液压装置将四条支撑腿展开以完成最终的回收。
此时有朋友可能会有一个疑问：
猎鹰9号怎么知道在哪个时间点执行哪个环节呢？
其实猎鹰9号无论是爬升时的前进路线还是回收时的返航路线，事先SpaceX都已根据实际的发射任务进行了编排，并将其存储到火箭的飞行控制系统中，但由于外部环境的不确定性，具体的飞行路线都是由火箭内部的飞行控制系统依据外部的信息实时调控的，在猎鹰9号内部，配备了十几个传感器，实时收集比如方向、位置、速度、加速度、高度、气压等数据，飞行控制系统会实时依据这些数据计算出后续飞行轨迹的修正量，并将相应的指令传达给诸如栅格鳍、冷气推进器以及矢量发动机等设备，让它们对火箭的飞行轨迹作出相应的修订。
到此为止，大家应该大致清楚了猎鹰9号海上回收的相关流程，但陆地回收跟海上回收又略有不同，海上回收始终在“向前”走，而陆地回收则是在飞出一定的距离之后需要“往回飞”，在一二级火箭分离之后，如果是陆地回收，一级火箭的发动机并不会完全熄火，而是在发动机的推力之下执行点火机动翻转，给火箭一个往回飞的速度，待火箭往回飞的速度达到预定值时，一级火箭发动机全部熄火，执行类似于海上回收的熄火机动翻转，之后接下来的各个环节就跟海上回收基本一致了。
如果仔细思考一下，会发现猎鹰9号的陆地回收其实相较于海上回收的难度更大一些，毕竟陆地回收会涉及到两次机动翻转，其中一次还需要保持发动机的点火状态，增加了燃料的消耗，降低了一级火箭的护送里程，这也是SpaceX在执行任务时多数选择海上回收的一个重要原因。
猎鹰重型火箭配备了两枚辅助推器和一枚芯级助推器，两枚辅助推器会在护送载荷到一定高度之后返航，执行陆地回收流程，而芯级助推器则在继续护送一段时间之后，执行海上回收，虽然猎鹰重型火箭的难度近乎三倍于猎鹰9号，但也带来了明显的收益，近地球轨道的载荷量从22吨提高到了63吨。
明白了猎鹰系火箭的回收流程之后，相信大家现在最关心的就是火箭回收能降低多少发射成本，舰长继续以猎鹰9号为例，详细给大家算一笔帐。
一枚全新猎鹰9号的造价是5000万美元，其中一级火箭3500万，二级火箭900万，一对整流罩600万。猎鹰9号每次执行任务的燃料费不超过50万，人工场地费用按500万来算，那么使用全新猎鹰9号执行一次任务的成本总计约为5550万。
因为猎鹰9号只有一级火箭和整流罩可以回收，而整流罩回收的成功率较低，目前平均起来两片整流罩回收一片是不成问题的，那么每次任务发射之后，SpaceX可以回收一枚一级火箭和一片整流罩。SpaceX内部一高管曾对外表示，一级火箭回收再发射的修整成本不足全新一级火箭的一半，这里舰长就按50%来算，那么二手一级火箭和一片二手整流罩的维护再飞行费用就分别是1750万和150万，那么一次回收再飞行的发射总成本就是二手一级火箭的1750万，全新二级火箭的900万，半新半旧整流罩的450，燃料的50万，人工场地的500万，总计为3650万，约为全新发射的65%，节省了35%。
35%其实只是第二次复飞相较于首次全新飞行节约的成本，那开篇提到的7次复飞呢？咱们可以换一种计算方式，计算一下连续回收复飞N次相较于全新飞行N次的成本节约占比，大家看一下这个公式：
（5550+3650*(n-1))/(5550*n)=(1900+3650*n)/(5550*n)=1900/(5550*n) + 3650/5550
明显可以得出一个结论：35%是猎鹰9号复飞N次节约总成本的下限，显然N越大，1900/(5550*n)也就越小，总体节约的成本就越接近3650/5550，也就是35%，好像没有想象中的那么省钱，如果SpaceX能将一级火箭复飞的成本控制在20%并能完全回收两片整流罩，其飞行N次节约的总成本就能接近于60%，这就会相当省钱了，看来spacex还需要提高检修维护技术以降低复飞成本。
猎鹰9号回收的过程总结下来有三项核心技术，其一是不可能公布于众的飞行控制系统，其二是发动机的N次点火技术，其三是在垂直火箭身上应用的空气动力学，虽然这些技术对传统火箭来说可能很难，但这些技术确实能从根本上改变了火箭的使用方式，虽然还没有火箭能达成100%可复用，但猎鹰9号已做到了至少35%的成本节约，在同等资金的情况下，SpaceX可以探索太空三次，而传统火箭只能探索两次，很有可能就是多出来的这一次，让人类发现了宇宙未知的又一密码。
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