问题

如何看待 2015 年 12 月 22 日 SpaceX 成功发射 Falcon9 并回收一级火箭?

回答
SpaceX 2015 年 12 月 22 日猎鹰 9 号火箭成功回收一级火箭的里程碑意义

2015 年 12 月 22 日,SpaceX 成功发射了其猎鹰 9 号(Falcon 9)火箭,并将一级火箭(First Stage)垂直着陆回收,这不仅仅是一次成功的发射,更是航天史上一个划时代的壮举,为商业航天乃至未来载人航天带来了颠覆性的变革。这标志着 可重复使用火箭技术的成熟迈出了关键一步,其意义深远且复杂,我们可以从多个维度来解读:

一、 技术上的突破与挑战:

1. 复杂且精准的再入和着陆控制:

大气层内减速: 火箭发动机在燃料耗尽后,其本身就是一个巨大的空气动力学物体。要实现垂直着陆,首先需要解决的是在高速穿越大气层时如何安全减速。SpaceX 使用了 反推燃烧(Reentry Burn),即在火箭即将触及地面时,再次点燃剩余的一级火箭发动机,利用发动机的推力反向抵消重力和向下的速度,从而实现平稳的垂直降落。这需要极其精确的发动机控制、燃料管理以及对空气动力学的深刻理解。
姿态控制: 在减速过程中,火箭会受到复杂的气动力影响,保持垂直姿态至关重要。SpaceX 利用了火箭上的 格栅鳍(Grid Fins),这些带有镂空设计的鳍片能够在高速气流中精确调整方向,就像飞机的副翼一样,微调火箭的姿态,确保其稳定垂直下落。这需要复杂的飞控软件和执行器配合。
着陆腿的部署: 在接近着陆点时,火箭下方会展开四根粗壮的着陆腿。这些着陆腿的设计需要承受巨大的冲击力,并具备一定的弹性,以吸收剩余的震动,保证火箭平稳着陆在预设的着陆平台上。
精准的导航与定位: 为了能够精确地降落在预定的着陆区域(例如海上驳船或陆地发射场),火箭需要实时感知自身的位置、速度、姿态,并通过复杂的算法计算出最优的着陆轨迹。这依赖于高精度的惯性导航系统(INS)、GPS 以及先进的制导算法。

2. 燃料的管理与留存:

为反推预留燃料: 传统的火箭在完成任务后,剩余的燃料通常会被丢弃。而为了实现垂直着陆,SpaceX 需要在发射时就 有计划地留存一部分燃料,专门用于后续的反推燃烧。这增加了发射时的载荷计算复杂度,也意味着火箭需要携带更多的燃料,但这是为了实现更高的性价比而必须付出的成本。
多次点火的发动机技术: 猎鹰 9 号的梅林发动机(Merlin Engine)需要具备 多次点火的能力,能够在短暂的燃料耗尽后再次启动并稳定工作。这对于发动机的设计和可靠性提出了极高的要求。

3. “着陆”而非“坠落”:

关键的第一次成功: 尽管 SpaceX 此前已有多次尝试回收一级火箭,但之前的尝试都以失败告终(例如爆炸或偏离着陆点)。2015 年 12 月 22 日的成功,是 SpaceX 第一次在实际任务中成功将猎鹰 9 号一级火箭垂直送回地面并保持结构完整。这次的着陆点是陆地发射场(肯尼迪航天中心 39A 发射台的附近区域),这是一个比海上着陆更加困难和精确的任务,因为陆地着陆对火箭的精确控制和着陆腿的性能要求更高。

二、 经济上的颠覆性影响:

1. 降低发射成本的巨大潜力:

可重复使用是关键: 发射火箭成本中,一级火箭占有相当大的比重,通常占到整个火箭成本的 70%80% 以上。传统的火箭是一次性的,每次发射都需要消耗巨额的制造成本。通过回收和重复使用一级火箭,可以 大幅削减火箭的制造成本,理论上可以将单次发射成本降低数千万甚至上亿美元。
改变太空商业模式: 这种成本的降低将极大地促进商业航天市场的发展。更低的发射成本意味着更多的卫星可以被送入轨道,更频繁的任务成为可能,太空旅游、太空采矿等新兴商业模式也将更有可行性。
与现有发射服务商形成竞争: 在这次成功之前,航天发射市场主要由政府机构(如 NASA)和少数大型商业公司主导,发射成本高昂且周期较长。SpaceX 的技术突破,直接打破了这种格局,对传统的发射服务商构成了巨大的竞争压力,也迫使整个行业向更经济高效的方向发展。

三、 对航天产业的战略性影响:

1. 重塑航天发射的未来:

技术引领者地位的确立: 这次成功将 SpaceX 推到了航天技术的最前沿,确立了其在可重复使用火箭技术领域的引领者地位。其他航天公司和国家也纷纷加紧研发可重复使用火箭技术,以应对市场变化。
加速太空探索的步伐: 更低的发射成本意味着更频繁、更大规模的太空任务成为可能。无论是科学研究、行星探测,还是未来的载人登陆火星,都将因为成本的降低而加速推进。
推动星链(Starlink)等卫星互联网计划: SpaceX 的星链项目需要部署数千颗卫星,若每次都使用一次性火箭,成本将是天文数字。一级火箭的回收技术是星链项目得以大规模实施的关键支撑。

四、 公众认知与象征意义:

1. 科技进步的生动展示:

从科幻走向现实: 之前,火箭的垂直回收在许多人眼中是只存在于科幻电影中的情节。SpaceX 的成功将这一梦想变成了现实,极大地提升了公众对航天科技的关注和热情。
埃隆·马斯克(Elon Musk)的愿景实现: 这次成功也是埃隆·马斯克作为 SpaceX 创始人兼 CEO,对“让太空旅行变得更加经济和普遍”这一愿景的有力证明。他的坚持和创新精神激励了无数人。
商业航天崛起的新篇章: 这次成功标志着商业航天已经不再仅仅是政府的附庸,而是可以凭借自身技术实力改变游戏规则的重要力量。

五、 挑战与后续发展:

尽管 2015 年 12 月 22 日的成功是一个巨大的里程碑,但火箭回收技术仍然面临持续的挑战和发展:

可靠性的进一步提升: 尽管成功了,但回收过程的成功率和可靠性还需要进一步提升,以满足商业发射的严苛要求。
回收成本的核算: 虽然理论上降低了成本,但每次回收和翻新也需要一定的成本,需要精确的核算才能证明其经济可行性。
更复杂的任务场景: 未来需要将回收技术应用到更复杂的任务中,例如回收二级火箭、在更恶劣的环境下(如强风、高海浪)着陆,或者在行星表面进行回收等。
技术标准的建立: 随着可重复使用技术的普及,需要建立一套通用的技术标准和认证体系,以确保安全和互操作性。

总结来说,SpaceX 在 2015 年 12 月 22 日成功发射并回收猎鹰 9 号一级火箭,是一次集技术创新、商业颠覆和战略远见于一体的伟大成就。它不仅证明了可重复使用火箭技术的现实可行性,更是为整个航天产业的未来发展开辟了新的道路,将人类探索宇宙的步伐推向了一个全新的时代。

网友意见

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泻药,先说结论:

这次发射在技术层面被国内的好多人(看上面答主的回答便知)过誉了,但是除了技术层面,在别的方面怎么夸都不为过。

首先说技术层面:这个技术并没有多复杂,我知道很多人直接会说“你说不复杂你去搞啊!”,这样抬杠就没有意思了,我的意思是在科技层面,他的绝大多数技术都是基于成熟技术,得到了NASA的大力协助,经过了时间的检验。梅林1d发动机滥觞于阿波罗计划的部分技术,经过SpaceX公司的大量改进,终于技术成熟,成为有史以来效率最高的开式循环煤油火箭发动机,这是技术上的进步。但是技术上的进步并没有那么大:俄罗斯美国中国的轨道太空舱都可以进行回收,回收地点也愈发精确,更别说还有航天飞机这种逆天的货色,美中等国也成功进行了月球软着陆,这都是和SpaceX技术差不多的东东,甚至更复杂,因为烧蚀更加严重,不能单纯说SpaceX的技术更先进;就连回收火箭这种事情,NASA也不是没有试验过,只是没有了下文(详见

@孟德尔

的回答),其他大国不去实验,大概是因为并不在乎那一些成本,或者现在有些发射本身的成本就很低(退役导弹改进的火箭)。同时,SpaceX的大冗余设计保证了回收的正常进行,但是死重还是增加了,同时增大了危险性,增加了单位成本,单台火箭的能力也没有提高多少,性价比并不高。总体上成本的降低还是因为NASA的支持(专利、研发、实验经费,发射支持)。但是,猎鹰9飞过一次之后,要面临各种各样更严格的检测、维修,实验,重新上保险,保险的价格还肯定比第一次高,这都是成本,谁能保证几次如此之后,成本依然如此之低?因此可见,技术层面确实过誉了,只能算二次创新,更不可能如知乎某专栏说的那样,超越美俄中。

在非技术层面:本次发射成功确立了SpaceX的技术地位,硬生生的在国际发射市场上扎进自己的棍棍,大幅度降低了发射的成本,开创了人类航天的一条新路子,同时推动了航天技术的普及,让每个人都可能体会到科技带来的便利。这次发射也成功降低了NASA和美国空军的航天发射成本,避免了被波音、洛马讹诈,控制了成本,促进了尖端科技的发展。又一个美国梦的活生生的例子,给美国打了广告。SpaceX的发展值得中国去学习,很高兴,中国国现在自己的私人探空火箭公司也在茁壮成长。其他的赞扬别的知友已经说了很多,我还是闭嘴吧。

自己臆测的一点:现在科技成本越来越高,网络越来越发达,政府机构越来越不敢犯错,越来越不敢尝试新技术,SpaceX公司适逢其会地出来给NASA当了一个试错的平台,试验相关的技术。

说点自己的私货:美国的技术还是强啊,随便漏点技术造出来的火箭能力都一点不差啊,美帝,掌握黑科技!马斯克真是一个技术天才!马斯克真是一个市场运营高手(特别会炒作,炒得这么厉害,资金肯定又要暴涨了)!

最后,大家要知道,马斯克不论如何,也还是一个商人


补充两点争议大的:

1、我最后一句的意思是“马斯克毕竟还是一个商人,他需要炒作来扩大自己的利润,可能他为人类做出了1的贡献,但是炒作到5,无论如何,人类还是进步了”。我并没有黑商人,也没说商人重利不对,商人最大的特点就是利益最大化(当然所有人都一样,但是商人能更大地攫取利润)。我很尊重他,我也是他的粉丝,TBBT上他出来我都快高潮了!

2、感谢

@老毕

指出的问题,我确实有没表述清楚的地方,我非技术层面说的“大幅度降低成本”和技术层面的“成本没有降低多少”我解释不太清楚,就举个其他的例子来说明。非技术层面“大幅度降低成本”可以类比用小米note顶配版替代了iphone,成本降低不少;技术层面的“成本降低不大”是类比小米note也可以完整地实现小米note顶配版想要的大部分功能,可能会有点卡,但是因为加了一些小东西,把价格提到了小米note顶配版的水平。

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1、就跟足球赛一样,有竞争对手,而且对手比你更强大,这个联赛才有意思。原以为美国的这个传统豪门没落了,让中国航天这个升班马出了好一阵子风头,突然发现豪门底蕴还是很牛的,升班马还需要努力才行。


2、超大规模引擎并联,原来以为可靠性无法保证,现在看来也未必不行,一条技术路线重新变得光明起来,必须感谢SpaceX做了小白鼠。反过来,原来不可能的事情变成了可能,一定有某些短板被攻克了,私以为应该是材料方面的,相关的科研人员要加油了,国家该投资的要加强,该放开的也要放开了。


3、SpaceX值得尊敬,但是跪下磕头就免了。SpaceX目前来说,绝大多数技术还是在吃NASA的老本,比如回收技术就是20年前三角快帆的加强版,当然有些当时薄弱环节的加强,确实也是真本事来着。

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One small step for a man, one giant leap for mankind…



打了一大段字,想想还是删了……



可能大家觉得这么说过誉了,我还是解释一下



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我不是说这次成功本身,有什么标志性意义。

或者未来就此新的篇章怎么怎么的了。

我想说的不是成功,而是失败。

Musk从最初质疑NASA为何不作为,到希望捐钱发射一个温室舱段去火星,到自己亲自创立SpaceX,到跨洋到曾经的对手那里买弹道导弹,到猎鹰1的所有计划发射全部失败,到那次几乎倾家荡产的成功换来的订单,到屡次着陆失败而愈挫愈勇,到猎鹰9和龙飞船失败后的人们的对私人航天的不信任……

到今天……

一路坎坷,一件事能坚持十几年的人不多。

我甚至不知道,作为一个航天大国,中国的航天事业又能承受几次失败?

我依稀记得日本1997年探月失败后,10年之后才重启计划,我也清楚记得,嫦娥一号只有一颗备份星,总理当时略显轻松的说,失败不要紧,就当是科研试验。

1969年的那个脚印让美国乃至全世界的一代人从大麻和战争的烟氲或硝烟中抬起头来,让人们相信技术可以改变世界,我们的未来在我们手中。

之后是今天的互联网时代。

我这么说有点牵强,但绝不仅仅是我这么说。

今天世界依然充满了抱怨硝烟贫穷和撕逼,人们并不像从前想的那样比当年更有爱更聪明,人们开始怀疑当年的壮举其实是个阴谋,也渐渐嘲笑Musk说要死在火星上的话。

今天普世观念里也没有情怀,人们不能理解为什么科罗廖夫在劳改房里画分级火箭,也看不懂钱学森软禁五年还有心思写工程控制论,相反却很关心他对亩产万斤和特异功能的看法。

业内人员也如此,至于业外的,要么不关心,要么……嗯,算了,毕竟我也不清楚西部人民现在的饮食习惯。

科幻也平淡而理所应当的沦为是娱乐的一种形式,虽然它曾经有那么一段时间不是。

的确,登月在相当长的未来都是历史。

航天飞机和它的乘员也献身于人类对太空持续化最后的努力。

未来都未必能做的事,何必我们这一代完成。

航天,和这个星球上唯一的文明在黑暗的深空里蹒跚。我曾想过Elon Musk或许永远也不会成功,我不知道他会在尝试多久之后,沦为人们饭桌上的谈资,和某些人眼里的继航天飞机退役之后又一个中国航天领域的国运。


我想起最初的那句话。

的确,这个世界大部分时候既残酷又无趣。好在有一些能够让我们眼前一亮的东西——比如火箭,比如理想。



无论成功与否。

总有一天,

SpaceX依然值得这个评价。





(图片来源:

zhuanlan.zhihu.com/cool





以前一个相关回复贴一些,顺便说下SpaceX要加分了。

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