往期回顾
在本系列的之前的文章中，我们一起回顾了重型猎鹰首飞的成败得失（鹰之击）；并对猎鹰系列火箭的进行简单的介绍（鹰之躯）；在上一期则对梅林以及猛禽这两代火箭发动机进行了简介（鹰之心）。
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连载之四：鹰之魂
01 猎鹰之魂
对于大多数人来说，知道SpaceX这家公司或许就是从“火箭发射后可以回收”开始的。因为在此之前我们中的很多人对于火箭发射后，将飞船或者卫星送入轨道后到底去哪里了并不清楚，或者说并不关心。
或许很多人以为火箭留在太空了，不是有太空垃圾嘛；或许还有不少人觉得火箭掉到大气层里烧掉了；再有可能就是掉进海里了，或者掉落到沙漠之类的无人区了。反正火箭这玩意和过年时放的“窜天猴”差不多，一溜烟发射出去后就鸿飞渺渺，再也不见。没见过窜天猴发出去之后还会自己跑回来等着你再放一次吧。
一级火箭可能会坠落在有人区
是我国目前陆上发射存在的一个问题
因此，当你某一天突然看到飞出去的“窜天猴”居然真的飞回来，并又稳稳的竖在你刚刚把它放出去的空地上的时候，相信多少会被这个画面所吸引。而航天爱好者初次看到这样的画面，应该是除了震惊之外还是震惊。
重型猎鹰的两枚助推火箭同时回收
SpaceX之所以名声大噪，也是因为它是目前业内对火箭的回收和复用掌握的最好的公司。在笔者看来，这个“黑科技”正是助力SpaceX和猎鹰系列火箭目前大获成功，名利双收的最重要的因素，是猎鹰之魂。下面这幅长延时摄影非常生动且直观地记录了猎鹰9号发射和第一级顺利陆上回收的轨迹，乃是SpaceX逮着机会就会展示的一幅得意之作。
猎鹰9号发射和回收的延时摄影
如果对上面这张照片并不感冒，觉得看不出啥的，那么不妨瞅瞅下面这段视频。这是去年（2017年）5月1日，猎鹰9号火箭执行编号为NROL-76的发射任务时SpaceX的直播视频。视频完整的记录了火箭的发射前准备，发射过程，尤为重要的是非常完整的记录了第一级火箭从分离到返回着陆的全过程。绝对属于非常难得的视频资料（不想看前期准备的，可以直接拖到视频的大约第12分钟，直接从发射看起）。
猎鹰9号NROL-76任务视频
其实，在本系列的第二篇《鹰之躯》里，大家不难发现，在渡过了成立之初最艰难的时期后，SpaceX凭借猎鹰9号以及最新的重型猎鹰火箭卓越的运载能力以及低廉的发射价格，已经在国际航天商业发射市场上占据了举足轻重的地位。即便SpaceX自此不思进取，躺着吃吃老本，对现有型号的火箭进行些无关痛痒的小改进，并时不时捞一票利润惊人的军用发射任务，那么其实它也能舒舒服服地过上好些年。就像曾经躺着吃前苏联太空竞赛时代老本的俄罗斯航天一样，享受之前的红利二三十年。
然而，“钢铁侠”埃隆马斯克却绝不会允许这样的事情发射。从SpaceX成立之初，他就定下了一定要让火箭可以重复使用的目标。
在接受媒体采访时，马斯克曾简单的打了个比方：如果让一架波音飞机从美国东海岸飞到西海岸，一次飞行后就把飞机报废掉，而且是每次飞行都报废一架飞机。那么每张机票的价格可能会高达50万美元，而不是现在的500美元。航天任务之所以昂贵，很大的原因就是火箭用一次就扔掉了，而不是像飞机那样反复使用。如果火箭可以回收和复用，那么航天发射的成本可以下降98%（对于这个数字目前还有争议，因为没有考虑保险、运输、复用火箭的检测修复等费用），大多数普通人也可以承受航天旅行的成本。
虽然，这是一条异常艰巨的道路。失败几乎如同家常便饭，比如这样：
或者这样
事实上，从设计之初就以回收和复用为目标的猎鹰9号火箭，直到2015年其第20次发射任务时才首次成功的实现了第一级火箭的陆上回收。
猎鹰9号第一级首次陆上回收成功
（降落在范登堡空军基地）
并在随后又首次完成了难度更大的海上回收任务。
猎鹰9号第一级首次海上回收成功
（降落在无人驳船“我当然还爱着你”号上）
即便在现在，第一级的回收对于SpaceX已经不算是什么新闻了，但人家居然还忆苦思甜般地做了一个回收失败的官方视频集锦，居然取名“如何不回收火箭第一级 (How NOT to Land an Orbital Rocket Booster)”。记录了各种花式作死似的失败镜头。有传感器故障的，有点火失败的，有液氧或液氢用完的，有支撑腿突然折叠的。此外视频里面还贴出了马斯克在回收失败当时说过的各种金句，对各种失败进行自嘲式的调侃。比如——“好吧，技术上说，它（火箭）确认着陆了，只不过不是作为一个整体”；又比如——“这才不是爆炸呢，这不过是一次计划外的立即拆解”。具体的大家可以在下面这段2分多钟的视频中自己慢慢发掘，视频和BGM都很赞，强烈推荐。
“如何不回收火箭第一级”
回收失败视频集锦——SpaceＸ官方出品
有心情调侃过去的失败，从某种程度上来说也意味着对现在和未来的自信。事实上也确实如此，现如今虽然还时不时的会出现回收失败的情况，比如最近的一次就是重型猎鹰的芯一级回收失败（这个在本系列的第一篇，“鹰之击”中就曾说过。现在正式公布的原因还真的就是点火剂用完了，醉了），但是一级的回收成功已经渐渐的成为了一种常态。而回收之后的火箭的重复使用（复用）也不再是新闻。比如这次重型猎鹰的两枚助推火箭其实就是之前回收的两枚猎鹰9号的一级火箭。
虽然，火箭的回收和复用还没有真正的给SpaceX带来经济上的巨大收益，但是凭借一次次回收成功建立起来的形象还是给SpaceX带来了源源不断的商业发射订单，绝对属于接单接到手发软。从2013年起，SpaceX在国际商业发射市场上的份额不断飞速提升，在今年已经宣布的订单中，SpaceX一家独大，疯狂的揽下全球商业发射份额的50%以上（参见下图中浅蓝色部分）。将曾经的市场龙头，俄罗斯航天挤兑的苦不堪言。同时，我国的商业航天发射市场也被严重的打击。不过，另一方面来说，今年国内计划内的航天发射任务就达35次，为史上最繁忙的一年，也确实没有更多的精力去国际市场上抢单。
国际商业发射市场份额
那么火箭的回收和复用，这个“猎鹰之魂”技术上是如何实现的呢？这肯定不能靠喊喊口号或者讲讲情怀的，必须得有干货才行。
02 火箭回收的历史和方式
有哪些回收方式？
“火箭回收技术哪家强？”现在的答案应该是“SpaceX”。相信对于这个答案，争议应该不会太大。然而，火箭的回收却不是SpaceX发明的概念，SpaceX也不是第一家实现火箭的回收和复用的。事实上，火箭的回收和复用的概念很早就有人提出，并且各方也曾尝试过各种方法。
比如，当年航天飞机使用的两枚固体火箭助推器，就是可以通过降落伞减速后在海面上溅落的方式回收，而且可以反复回收复用。
美国航天飞机发射时会使用两枚固体火箭助推器
航天飞机的固体火箭助推器海上回收
NASA早年还多次完成过通过伞降减速，并在目标落地 / 落海前用飞机或直升机捕获降落伞的方式在空中回收从低轨道返回的载荷（比如间谍卫星拍摄的胶卷舱等）。
通过改装后的飞机空中捕获回收
不过NASA当时回收的并不是火箭，火箭实在太大，没办法用这个方法回收。但现如今，美国传统的航天发射巨头ULA（联合发射同盟，由波音和洛克希德马丁合作组成）正在着手进行一种号称是“聪明回收”的方法，也就是不回收整个一级箭体，而让最值钱的一级火箭发动机在完成任务后和箭体自动分离，伞降减速后再通过直升机空中捕获。
ULA的“聪明回收”只回收价值最高的火箭发动机
其实早在50年代的时候，前苏联就实验过通过伞降回收过小型的Angara-M火箭，并简单修复后重复发射使用。从这个意义上来说，当年那个红色帝国才是真正的火箭回收和复用的鼻祖。
Angara-M火箭的伞降回收
Angara-M火箭的伞降回收过程图
毛熊还曾设想过在能源号火箭的助推器上安装可折叠的滑翔翼。在助推器完成任务，和芯级分离后，滑翔翼展开，助推器通过滑翔翼飞回回收场，水平方式着陆回收。只不过，这个方案还没来得及落实，便随着前苏联的解体而成为泡影。
可折叠的滑翔翼方式水平着陆回收
甚至猎鹰系列火箭标志性的VTVL（垂直发射，垂直回收）都不是SpaceX的“独门秘笈”。SpaceX的死对头，最新成为世界首富的亚马逊创始人贝索斯的“蓝色起源”公司的“新谢泼德”火箭也是VTVL式的可回收复用火箭。而且新谢泼德火箭的首次回收和首次复用都“恰恰”赶在猎鹰火箭之前。并且，新谢泼德火箭至今已经做到了同一枚火箭4次发射并复用的记录（关于新谢泼德火箭是否就此“碾压”猎鹰火箭的问题，我们后面讲）。
“亚马逊”创始人贝索斯和他的蓝色起源
蓝色起源的“新谢泼德”火箭
领先猎鹰火箭实现了VTVL回收以及复用
这些回收方式有啥区别？
先说说航天飞机固体火箭助推器的海上溅落方式。这是最先被排除的。为何这么说？因为，任何可能导致火箭箭体浸入海水的回收方式都不适合液体火箭。和固体火箭只有药柱和壳体不同的是，液体火箭有复杂的管线，这些管线和液体火箭发动机都无法承受海水的侵蚀，几乎可以这么说：泡水就完蛋。
另外，当年航天飞机固体火箭助推器的外壳是厚度达一厘米半的钢壳，能够承受溅落海中的冲击力远远大于液体火箭薄薄一层的铝合金或者铝锂合金的外壳。因此对减速降落伞的要求也大大降低。而“皮薄汁多”的液体火箭在同样的冲击力下则会因壳体破裂而完蛋大吉。
那么用一个足够大的降落伞在陆地上回收呢？就像前苏联的Angara-M火箭那样？答案也是否定的。因为Angara-M火箭是一枚小型甚至堪称微型的实验火箭，重量很轻，而且其飞行高度也很低。而正式的运载火箭的一级脱离返回时，高度在200公里左右，速度往往高达数倍音速，这就需要用到超音速降落伞。比如猎鹰9号火箭的一级，高度超过40米，回收时的箭体单单空壳的重量就超过20吨（还不包括返回时的燃料），一级火箭分离时的速度接近5倍音速。这样的块头用伞降回收几乎就是天方夜谭。
你以为猎鹰9号回收的第一级有多大？
远看不过像一根筷子，近看呢？
同时，在目前的技术条件下，超音速降落伞的研发仍然是一个非常艰巨的课题。目前最成功的超音速降落伞最大也只能承载3吨左右的载荷，理论极限大概也只有10吨，且付诸实现似乎遥遥无期。即便成功实现了10吨级别的超音速降落伞，但这对于动辄几十吨、甚至上百吨的一级火箭回收重量来说远远不够。更何况，伞降方式落点很难精确确定，而且不可能保证一级火箭垂直落地。而从上面的失败集锦来看，火箭一级一旦倾覆几乎必然会受损爆炸。这也就是为何ULA所谓的“聪明回收”不敢回收整个第一级火箭，而是只回收火箭发动机的原因。另外“聪明回收”中之所以要用直升机在空中捕获，也是避免发动机溅落到海水中报废。
超音速降落伞任然是超级难题
而夭折的能源号助推器的折叠翼似乎也不是理想的方式，因为大尺寸的机翼、以及机翼的折叠、控制机构，着陆机构会带来发射时巨大的“死重”，也就是对发射没有任何贡献的多余重量，这会大大降低火箭的运载能力。因此，即便能源号不随着前苏联的解体而夭折，这种技术的前景也堪忧。
ULA的“聪明回收”倒是看起来比较可行，因为这一回收方式需要用到的技术几乎都是现成的。但“只回收发动机”的“聪明做法”是否能被大众认可是真正的火箭回收呢？写到这里，突然联想起《三体》里面的“只送大脑”。就像在三体中质疑送出去的到底算不是一个“人”，相信会有很多人质疑ULA回收的到底能否算是一枚火箭呢。
蓝色起源 对战 SpaceX
这个有必要单独列出来说。因为前面提到过，贝索斯旗下蓝色起源的新谢泼德火箭（命名是为了纪念美国的第一位宇航员艾伦谢泼德）也是VTVL（垂直发射，垂直回收）的，而且无论是首次回收还是首次复用，乃至复用的次数都是领先SpaceX的猎鹰火箭。
先上一段蓝色起源在对同一枚新谢泼德火箭第三次发射回收时制作的视频，蓝色起源给这段视频齐的名字就是“发射、回收、复用（Launch. Land. Repeat.）”
蓝色起源给新谢泼德火箭制作的视频
“发射、回收、复用”
而到目前为止，视频中这枚火箭已经成功实现了第四次发射和回收，复用技术看起来已经相当成熟。而且单从上面的描述来看，新谢泼德的回收和复用和妥妥地碾压猎鹰火箭啊。好吧，没有对比就没有伤害，我们把两种火箭放在一起对比一下：
新谢泼德和猎鹰9号第一级尺寸对比
再看一下两者典型飞行任务剖面图：左侧是新谢泼德火箭，它飞行轨道的最高点距离地面大概就100公里多一点点，恰好越过“卡门线”（卡门线：国际航空联合会定义的大气层和太空的界线，高度为100公里。卡门线外为太空），水平位移不超过20公里。右侧是猎鹰9号，它一级火箭的分离高度大约200公里，水平位移大约95公里。
“新谢泼德”和“猎鹰9号”典型任务剖面对比
图上没有提到的是两者的速度：新谢泼德返回时的最大速度在2倍音速左右，而猎鹰9号则超过5倍音速。另外，两者的体型也不同：新谢泼德火箭短粗憨实，甚至都不像是一枚传统的火箭，而猎鹰9号非常的瘦长苗条（本系列的“鹰之躯”一文中我曾介绍过，猎鹰9号的“长径比”是非常逆天的）。按照常识，短粗的圆柱怎么都比细长的圆柱更容易平稳的竖在地上。
这么一对比就会发现：两者几乎完全不是同一种东西啊。和“中规中矩”的猎鹰9号相比，新谢泼德火箭几乎就是一个玩具。两者无论是外形尺寸，重量，速度，高度，长径比都完全不在一个水平线上。其实，实际情况还真的差不多，新谢泼德火箭还真的就差不多算是一个玩具。
蓝色起源研发新谢泼德火箭的目的压根就不是发射载荷进入太空轨道，而是“亚轨道旅游观光”。是的，你没看错，就是用来旅游观光的。这也是为何新谢泼德最大上升高度正好是略超过100公里。因为100公里高度，正好是是国际航空联合会定义的大气层和太空的界线，被称为“卡门线”，卡门线外就可以被叫做“太空”了。因此搭乘新谢泼德火箭正好能够让你去“太空”到此一游。但是却远远够不到哪怕是近地轨道LEO的高度，因此也被称为“亚轨道旅游”。
而猎鹰9可是正二八经的“运载火箭”，它的任务是将载荷送入近地轨道、转移轨道、甚至同步轨道的。因此两者发射任务剖面完全不一样。新谢泼德火箭的VTVL回收难度大大低于猎鹰9号。
蓝色起源在研的“新格伦”火箭也是具有VTVL回收能力的，而且那才是真正的运载火箭，其设计中的近地轨道运载能力为45吨，大大超过猎鹰9号，甚至接近重型猎鹰的运载能力。只不过，新格伦火箭还没有造出来。
蓝色起源的“新格伦”运载火箭
再说到复用，这一点新谢泼德火箭具有先天的优势：他使用的发动机是BE-3液氧液氢发动机，完全不存在猎鹰火箭使用的梅林液氧煤油发动机发射后的积碳问题。无需花费大量的时间将发动机（主要是涡轮组件）分解清除积碳的工作。这一点无疑是优于猎鹰火箭的。而由于梅林发动机固有的这一缺陷，猎鹰在这一点上目前是无法和新谢泼德火箭相比的。或许SpaceX只有在新的猛禽发动机正式服役后，依靠其液氧甲烷发动机的特性才能在这方面拉近和蓝色起源在发动机复用方面的差距。
03 猎鹰是如何回巢的？
前面做了这么多的铺垫，相比有很多看官已经按耐不住要发问：那么SpaceX是如何让“窜天猴”，不对，是让猎鹰火箭返回并回收的呢？也没见它长着翅膀啊。那么这部分就看看倦鸟是如何归巢的。
其实在本文的第一部分，就有非常完整的回收全程视频，而下面这张图则是SpaceX官网上对猎鹰9号火箭第一级回收的说明。整个回收过程可以概括为“一次华丽的转身，三次点火”。
猎鹰9号一级回收示意图
现在我们分解步骤讲解：
一次华丽的转身
当猎鹰火箭的第一级将目标送达预先设定的高度时，第一级火箭的9台梅林发动机将关闭，同时第一级和第二级火箭分离。第二级火箭的真空梅林发动机点火，继续将载荷送往预定轨道。
而第一级箭体将在惯性作用下继续上升一段高度，同时由于气动阻力和高度上升的双重作用，第一级火箭的速度从分离时的5倍音速开始下降。当到达因惯性能达到的最高高度时，通过箭体上的“冷气推进装置”，也就是高压氮气喷射装置的推动，第一级火箭在空中完成一次掉头。变成沿着回收轨迹头上脚下的姿态。
一级火箭转身
第一次点火——调整再入轨迹
在完成转身动作后，第一级火箭的发动机将被重新点燃（一般是点燃9台中的3台，后同），一方面调整火箭进入预设的回收轨迹，另一方面则是要降低火箭的速度。
第一次点火，格柵鳍展开
在完成再入轨迹初步调整后，第一级火箭发动机会再次关闭。火箭依靠惯性沿着预设的下滑轨迹下降。在重新进入大气层时，位于猎鹰火箭一级上部的4片格柵鳍会展开，开始配合冷气推进装置一起精确调整飞行的轨迹
发射时收拢状态的格柵鳍
全新出炉的格柵鳍
格柵鳍这种形式的控制装置是在高速、特别是超音速状态下非常有效的一种气动控制舵面。具有结构紧凑，可靠性高，重量轻的特点。猎鹰9号一级火箭上的4片格柵鳍都是可以在液压系统的控制下进行调整姿态的。
第二次点火——再入大气前减速
格柵鳍的展开也意味着第一级火箭再入大气的开始，此时火箭的飞行速度还是高达4-5倍音速，在进入稠密的大气层之前必须要将速度降低，否则剧烈的摩擦生热以及巨大的气动阻力很可能会破坏一级火箭的箭体。
此时，一级火箭第二次被点燃，沿着下降相反的方向进行“刹车”。这并不是一桩简单的事情：别忘了此时火箭是底部向着前进方向飞行的，速度高达4倍音速以上，此时对发动机点火的难度堪比在一个鼓风机的出风口点燃一根火柴。
而且，发动机点燃后，喷射的火焰也是和迎面而来的超音速气流针锋相对的。这是航空航天领域中难度甚高的“超音速反推”问题。如何保护火箭底部不被超音速反推时逸散的火焰烧毁，如何精确的控制姿态都是需要解决和克服的事情。
第二次点火，为了再入大气减速
第二次点火进行超音速反推减速的时间大约30秒，通过这次点火，第一级火箭的下降速度会从4-5倍音速下降到大概2倍音速。下降速度还是很快，但是已经不会造成气动加热损伤了。此时火箭第一级也下降到了大气层中下部空气非常稠密的区域了，空气阻力也将起到很好的气动减速效果，进一步将火箭下落的速度降低到亚音速。同时，格柵鳍在此过程中一直在不断调整火箭的姿态和轨迹，为最后的着陆做准备。
第三次点火——机会只有一次
在最后接近着陆场时，第一级的发动机将最后一次被点燃。一方面进行最后的减速，另外一方面利用发动机的矢量推力帮助火箭最后调整姿态和轨迹，进行精确的着陆准备。
着陆时最后一次点火
同时，位于一级火箭底部的4条长度达12米的碳纤维支撑腿会放出（你可以理解为起落架）。
碳纤维支撑腿
巨大的支撑腿支撑起第一级箭体
在前一篇我们提到过，梅林发动机是具有“节流”能力的，也就是可以调整功率。这时，就体现出他的价值了。随着高度速度的不断降低，发动机的功率也需要进行相应调整。
但梅林发动机最低只能调整到全功率状态的80%推力，在最后一次点火反推减速时，三台梅林发动受限于节流的范围，没有办法完全做到产生的反推力和火箭的重量保持一致。也就是说——猎鹰火箭回收时不具有悬停能力。这个和蓝色起源的新谢泼德火箭的BE-3发动机具有深度节流能力，因此可以在着陆阶段悬停，调整姿态并精确的“命中靶心”是不同的。或许，这也要等到具有20%-100%深度节流能力的猛禽发动机服役后SpaceX才能做到回收过程中悬停。
正因为猎鹰火箭没有悬停能力，因此对它的回收就是“一锤子买卖”，必须一气呵成的完成“调整——减速——着陆”的动作。机会只有一次！任何差错都会导致回收失败。
支撑腿放出，发动机最后一次点火减速
如果前面都做对了，那么恭喜！猎鹰回家了！
04 回收之后
一级火箭回收之后应该做什么？如果是在陆上回收，那比较简单，将箭体缓缓放倒，用车辆拉回库房。
用车辆将回收的箭体运回库房
如果实在海上回收，会稍微复杂一点。在火箭着陆后，咳咳，应该是着舰后，会有SpaceX的工作人员登上无人回收驳船，通过钢索连接到一级底部的固定吊耳的方式将火箭和驳船妥善固定，防止因为风浪颠簸而导致箭体倾覆。此后，无人驳船会遥控返回码头，再将火箭装车运走。
SpaceX的回收火箭库房
随着一级火箭回收成功的常态化，Space也有了甜蜜的烦恼——它估计是唯一一家苦恼火箭库房不够用的航天公司吧。
回收的火箭在入库后，会拆除支撑腿、格柵鳍、发动机等，并对箭体和这些拆除的部件进行检查和必要的修理。
比如：返回过程中受损的格柵鳍
在完成了对回收箭体以及部件的检测和修复之后，SpaceX会将他们重新组装起来。并完成重新加注燃料测试，地面静态点火测试等一系列测试工作。如果所有的测试都通过了，那么就可以在市场上寻找愿意用“旧火箭”发射的客户了。为了吸引客户，SpaceX目前对愿意接受复用火箭的客户在发射费用上可以打七折。或者，将回收的猎鹰9号一级火箭作为重型猎鹰的助推器使用，就如同重型猎鹰首飞时做的那样。
如同前文提及到的，目前SpaceX的火箭复用，最大的限制还是梅林发动机。液氧煤油发动机富燃燃烧必然带来结焦和积碳问题，这是无论如何无法规避的。而清除涡轮等处的积碳绝不是一件容易的事情，比清理家用轿车发动机积碳可难多了。对于此，SpaceX目前就是想解决，估计也是有心无力。比较可行的方法还是等猛禽发动机服役后依靠后者“全流量分级燃烧循环”的液氧甲烷发动机特性来避免积碳问题吧。
05 尾声
本篇介绍了SpaceX的看家绝活——火箭的回收和复用。在下一期我们将一起来看一下钢铁侠的火星殖民之梦，以及为了这个梦想而计划打造的ITS（行星际运输系统）或者叫BFR（Big Falcon Rocket，大猎鹰。其实钢铁侠自己更喜欢叫它“Big F**king Rocket”）。具体如何，请听下回分解。
