作者：科普作家 吴京平
猎鹰9号火箭为了提高运载能力，不得不拼命瘦身。毕竟在发动机稀松平常的情况下，这是唯一的办法。所以他们的措施就特别的激进，比如采用了铝锂合金来建造火箭。为了省钱，开发了特别的搅拌摩擦焊技术。
有人给我留言，他们说搅拌摩擦焊技术并不是马斯克他们发明的。这话是没错的，这是一个老技术了，为的就是解决很薄的板材焊接的问题。大家知道，铝板很难焊接，所以到现在，飞机的机身都是用铆钉铆的。搅拌摩擦焊接就是用高速旋转的摩擦头在两块金属板的边缘进行摩擦，利用摩擦产生的高温来融化金属。
你可别忘了，这个旋转的摩擦头不仅仅是加热金属，还能把融化的金属给搅拌在一起。甚至能够把一块铝板和一块铜板给焊在一起。反正焊接效果很好，现在用的越来越广泛，不管是在飞机船舶还是轿车，其实很多地方都在用。
但是具体到SpaceX公司，他们要焊接的是两个相互垂直的铝板，一般的搅拌摩擦焊技术就使不上力气。要解决搅拌摩擦的那个摩擦头45度斜着转的问题，这是马斯克他们公司特有的问题，这个技术是他们特别开发的。
反正，马斯克他们是商人，一切都是从降低成本的角度去出发的。这样反而比不计成本进步更快，因为火箭便宜，也就可以多测试。胆子大一点也不要紧。为了多装燃料，1.1版拉长了火箭的长度，突破了15的长径比。15是中国航天界的一个心理极限。当年拉长东风2号，造成第一次试验失败留下的心理阴影。但是马斯克毫无心理负担，他才不管这些条条框框呢。
这事儿，我们就要说道说道了。解决火箭大推力的问题，是可以用捆绑式的，马斯克却偏偏不喜欢捆绑式。因为捆绑式要独立设计助推器，在马斯克看来，这是不合算的。助推器是要中途抛弃的，这时候，你要回收火箭的第一级，同时还要回收火箭的助推器，这多麻烦啊。如果是一个细长杆子，就没这些丁零当啷的事儿。
推力不够怎么办？那就疯狂的压榨火箭的重量，拼命发掘发动机的潜力，反正就是不能搞什么捆绑式。这个思路和当年我们研发长二捆是完全相反。
还有一个因素也不能不考虑，那就是火箭的运输问题。如果从加州的工厂里运到范登堡空军基地，那还比较近。如果是运到卡纳维拉尔角，那可就麻烦了。用火车运输的话，直径不能太大。我国的火箭长期保持在3.35米的直径，就因为发射场都在内陆，翻山越岭走隧道，粗了过不去。一直到长征5号，发射场在海南岛，坐船就可以去，这才把直径加大到了5米，所以长征5号又叫“胖五”。
航天爱好者都喜欢盯着用来运输火箭的那两艘运输船，也就是远望21号和22号，这两艘船是专门用来运输火箭的，母港在江阴。一旦发现这两艘船出动了，八成就是海南的文昌航天发射场有任务。
总之，猎鹰9号火箭也不得不考虑运输的因素。直径在3米多的话，哪怕走公路运输，也是可以实现的，灵活性最好。当然，另外一个考虑就是蚊子腿也是肉，火箭细一点，阻力小，节省燃料。一方面采用非常激进的新材料新工艺，一方面在设计上尽量的节省。猎鹰9号如今逆天的性能，其实就是这么一点一点压榨出来的。
如果要发射体积庞大的载荷，3米多点的火箭不够粗怎么办呢？没关系，用个大号的整流罩不就完了嘛。整流罩的直径是可以达到5米多的。所以呢，1.1版本看上去多少显得有点头重脚轻。身体细长，到那时头部明显胖了两圈还多，这就是猎鹰火箭的一大特点吧。
马斯克他们还跟苏联人学了一招，那就是燃料过冷。同样的体积，如何让燃料罐多装一点燃料呢？冷冻啊，温度降低一点，热胀冷缩。体积不就小了嘛。反正这种油水不榨干也是浪费啊。
当然，这些措施都给火箭的回收创造了条件。如果不榨干火箭的份量，就腾不出份额来装返回用的燃料，也腾不出额外设备的重量。要回收，总要装4条支撑腿吧，这4条腿也是要带上天的，也算份量。
但是，如何操控火箭垂直降落，猎鹰9号那么细长的火箭如何在屁股朝下倒飞着陆过程里受控。这都是没有把握的事情，所以，SpaceX做了一个小火箭，只用了一台梅林1D发动机，这个东西叫蚱蜢。火箭的身子就是猎鹰9号1.0版本，长度32米，下面装了4个固定的着陆腿，是不可收放的，一天到晚支着。这东西就是专门用来测试火箭垂直飞行的。
2012年的9月份，蚱蜢第一次起飞。这次其实没装多少燃料，就是起飞悬停测试。飞起来1.8米，持续了3秒就落地了。SpaceX的测试从来都是步步为营。一个新火箭，从来都是从最基础的功能做起的。11月份，蚱蜢跳起来7米，持续了8秒。你就看，火箭屁股猛喷出一团火焰，火箭微微的上升了没多高，然后就落了地。
12月份，蚱蜢火箭飞起来40米，持续了29秒，起码这个过程，蚱蜢火箭的可控的，可以维持自己的姿势。2013年3月份，蚱蜢飞到80米高，4月份飞到250米高度，而且有了抗风的能力。后来嘛，越跳越高。到了8月份，蚱蜢飞起来，斜着飞上去，高度250米，横移了100米，然后再横着挪回来，然后垂直降落。
最后一次蚱蜢试飞，飞到了744米的高度。蚱蜢火箭的使命算是完成了，SpaceX基本掌握了火箭垂直起降的控制规律。
当时，军迷圈知道这个消息，有很多人感觉很神奇。这个马斯克到底要干什么？好在我是知道20年前三角快帆的测试成果的。我知道火箭垂直起飞，然后平移，再降落并不是不可能的事情。我当时是没当回事儿。类似实验并不新鲜，也不是第一次搞这个东西了。登月舱着陆难道不是这么玩儿的吗？在比较理想的环境里做实验成功当然没问题。但是实用化恐怕够呛，风大一点，速度快一点，恐怕就够呛了。最后很可能就像三角快帆一样，实验完了就完了。最后束之高阁。没想到SpaceX居然沿着这条路走通了。
火箭的反推控制是一方面，这个靠在地面上用专门的实验火箭来摸索规律，另一方面是要搞清楚真实的一级火箭在把上面的第二级送走以后，自己是如何下落的，下落过程是不是可控，如何在巨大的逆风之中，让梅林发动机二次点火，这个可是没法用蚱蜢之类的火箭来测试的，只能用真火箭来测试。
SpaceX可以利用每次发射商业载荷的机会，搭便车来做实验。就这一点，过去的火箭研究单位就不敢这么做，这种做法是一边赚钱，一边搞科研，里外里都是赚的。这一次用来试验的就是猎鹰9号的1.1版本，这是1.1版本第一次发射，地点是在加州的范登堡空军基地。
猎鹰9号1.1版第一次发射
一级火箭顺利的把2级和载荷送走了。完成分离以后，一级火箭就开始自由下坠。火箭测试了在逆风之中二次点火。但是火箭在旋转，离心力导致发动机熄火了。最后，火箭的一级掉在海里，以45米/秒的速度摔扁了，摔的够狠的。但是测试目的已经达到了。过去哪个火箭的一级不是这个命运呢？都是掉下来摔扁的嘛。
火箭倒退着往回飞，燃料罐基本上都是空的。火箭的的金属壳子最多也就20来吨的重量，一台发动机的推力都嫌太大。因此节流能力就很重要，要能够把油门开到40%，才能刚刚好满足要求。燃料罐是空的，仅剩下的一点燃料未必就聚集在罐子底部。火箭一级在掉下来的过程中，难免在空中乱晃，天知道燃料是不是被晃的飞起来了。所以，这也是麻烦事，要想办法解决。
日后，马斯克没少利用猎鹰火箭的商业发射之余，顺带来做实验。这也是他进步快的一个原因吧。
我们的长征火箭系列是大大小小都有。比如说，你要发太阳同步轨道，没关系，用长征4号，从太原卫星发射中心发射。这个火箭不大，低轨道卫星足够用了。
长征4号
你要发地球同步轨道，没关系，从西昌卫星发射中心用长征3号发射。卫星比较重，有5吨，那就用4个助推器的长三乙。卫星轻一点，3.8吨以下，用两个助推器的长三丙也行。打嫦娥5号探测器这样重达8吨的的大型载荷送到月球，只能用长征5号。打小卫星，没关系，用长征6号或者是长征11号打。
可是当时马斯克家的火箭只有一种——猎鹰9号。大卫星是它，小卫星也是它。小载荷嘛，就多装几颗，这就是个公交车。载荷比较轻，留有余力的机会是很多。这也正好给了马斯克做实验的机会。
不过呢，有些实验，还是要在地面做。蚱蜢算是退休了。SpaceX就利用猎鹰9火箭1.1版一级的结构，做了一个新的实验火箭叫F9R Dev 1。这个火箭安装了可以收起来的支架，后来又增加了栅格舵，利用空气来控制火箭下落时的姿态。算是蚱蜢的升级版。
栅格舵这个东西，又是一个充满了俄国风格的玩意儿。当年的N1火箭就装过栅格舵。苏联的R77空空导弹也装了一个栅格舵。美国这边倒是也用，火箭的逃逸塔用来稳定姿势的就是栅格舵。栅格舵控制效率很高，不用太大的电动机就能驱动。缺点阻力太大，雷达反射截面大。不过用在火箭回收控制上，不在乎什么阻力和雷达反射截面。
F9R火箭上摄像头拍到的栅格舵
F9R一共飞了5次，最高飞到了1000米的高度。马斯克觉得有把握了。开始在真实的火箭上使用反推回收技术。毕竟每次商业发射都是他实验的好机会，没必要再单独花钱做实验了。
2014年4月，猎鹰9号要往国际空间站运货，要发射一枚龙飞船，顺便就搞了第2次受控再入试验。这一次，火箭姿态得到了很好的控制，把下落速度降到很低，所以火箭掉进水里没摔坏，掉进水里以后还发送了8秒的信号，可惜当时海上风浪太大，箭体最终还是损坏了。
整个2014年，马斯克又搞了几次回收试验，火箭最后都以很慢的速度掉进了海里，毕竟下边没有船接着，所以只能掉在海里。
“我依然爱你如故”号
到了2015年1月10号，马斯克开始搞完全版的回收试验了。也就是在海上完成回收。他们从船厂订购了两艘大船，这两艘船完全就是个巨大的平板，长90米，宽50米，大概是半个足球场那么大吧。一艘叫“先读说明书”，一艘叫“我依然爱你如故”。有人奇怪这名字怎么那么长啊。其实这两个名字来自于班克斯的科幻小说《游戏玩家》。
这一次出动的是“先读说明书”号。在计划好的落点等着猎鹰9号。猎鹰9号的第一级在把第二级和龙飞船送走以后，开始自由下坠。栅格舵张开，控制着一级火箭的下落姿态。这是一次在实战中使用栅格舵，取得了大量宝贵的数据。
但是控制火箭栅格舵的液压油不够用了，最后火箭失控，只靠发动机的偏转没办法完全控制火箭的姿态，最后是斜着撞到了船上，起火爆炸了。马斯克原来预计液压油要用4分钟，结果这次超出了10%的时间。看来下次液压油要多带一点。当然，到后来，马斯克干脆用煤油来当液压油，省得带专门的液压油。当年的土星5号火箭的F1发动机就是这么干的，这也不是新鲜的技术了。
到了2月份，猎鹰9号还有发射任务。一级火箭还可以做回收试验。但是，这一次大西洋上风浪太大，回收的平板大船无法到达指定海域。只能眼看着火箭慢悠悠的掉进了水里。
又过了2个月，4月份，猎鹰9号把26颗小卫星送进了地球轨道，顺便做回收试验。这一次，火箭倒是准确的落在了船上，但是还是没站稳，倒在了船上，最后还是爆炸了，真是差一点都不行。
没关系，6月份还有一次机会呢，还是用龙飞船给国际空间站送补给。哪知道，这一次出事儿了……下周末继续更新，你可以关注我的账号。