为什么猎鹰9号不回收二级火箭是技术上实现

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赞叹与疑问SpaceX的猎鹰9号跟世界其它火箭的最大区别是什么？没错！猎鹰9号是可回收火箭！但如果说得再精确一些，那就是猎鹰9号的一级火箭是可以垂直回收并再次复用的！你在赞叹马斯克刷新航空科技的同时有没有思考过一个问题：

为什么SpaceX不回收猎鹰9号的二级火箭呢？

欢迎再次登上轨道天文台，今天，台长就仔细跟大家探讨一下，为什么SpaceX不回收猎鹰9号的二级火箭！

猎鹰9号经典发射流程在深入这个话题之前，咱们需要先回顾一下猎鹰9号的经典发射流程，这里就以CRS-22这次任务为例。T0时刻，猎鹰9号点火升空，1分15秒，猎鹰9号到达MAX-Q节点，2分25秒，猎鹰9号关闭一级火箭发动机准备跟二级火箭分离，此时，一二级火箭同处于约60公里的高度，速度大约为公里每小时，从此刻起，一二级火箭将分道扬镳，一级火箭准备降落，二级火箭发动机点火带着载荷继续爬升。

8分15秒，一级火箭降落于在大西洋等待的无人船上，二级火箭还在继续爬升。30秒之后的8分45秒，二级火箭发动机熄火，此时它的速度已达到了第一宇宙速度2公里每小时，轨道高度也来到了公里，11分55秒时，二级火箭搭载着载荷来到了公里的目标轨道高度，一声令下，二级火箭跟载荷分离，它的任务到此也就完成了，这也标志着猎鹰9号一般在12分钟之内就可以完成一次发射任务！

问题一：二级火箭去哪儿了在了解了猎鹰9号的经典发射流程之后，我们首先就会想到一个问题：

二级火箭在跟载荷分离之后去哪里了？

这是一个相当严肃的问题，如果二级火箭从此逗留在太空，势必会成为逐年递增的太空垃圾，长年占据对人类有利的轨道资源对后续的航天器也是一种威胁，那如果不对二级火箭进行控制，它能自己返回地球吗？在地球的上空有一个真相，可以帮人类将二级火箭送回地球，那就是大气层并不像人们想象中的那么薄。

科学家通常将地表上空公里的高度定义为大气层边界，但其实大气层可以延续到接近公里的高度，只是密度已经极其稀薄，二级火箭一般都飞行在公里高的轨道上，在这个空间内，二级火箭在飞行时依然会受到大气的阻力，这股力量会拉低火箭的飞行速度，地球的引力又会拉着二级火箭降轨并坠落到地表，回归地球也就成了二级火箭的最终宿命，但这里又出现了一个问题，如果任由二级火箭在未知的某个时间点坠落到地表，势必又会变成像陨石一样的潜在太空威胁！所以，控制高达公里、以第一宇宙速度飞行的二级火箭“主动式”返回地球，便成了对各种型号末端火箭的基本要求。

如果单纯计算稀薄大气对二级火箭的阻力影响，还可以粗略计算出火箭的降轨与坠落线路，但实际情况却是太空中的环境相当复杂可随时多变，比如某一时刻太阳活动强烈，高辐射会让大气中的带电粒子变得相当活跃，从而影响火箭在其中的穿越速度，如果再算上月球流星等天体对二级火箭产生的引力，那么二级火箭坠落时的线路就更加复杂了，所以如果单纯依靠外力，二级火箭的坠落时机与路线将会大不可控，主动制动，让内力以压倒性优势盖过外力，成为了当今多数末端火箭返回地球的共同选择！

以猎鹰9号为例，二级火箭在跟载荷分离之后，其携带的氮气推进器通过不断喷气的方式让其机身头尾翻转度，调头之后的二级火箭会借助最后剩余的一点燃料再次点燃真空版本的梅林发动机，此时产生的推力便成了火箭前进方向上的阻力，这股巨大的内力会在短时间内大幅降低二级火箭的飞行速度，让二级火箭的坠落路线一下子清晰明了起来，所以只要控制好二级火箭主动制动降速降轨的时机，就能较为精确地计算出其坠落路线与坠落地点。

此时我们已经得出了第一个问题的答案，那就是二级火箭最终会返回地球，而且从技术上来看是可以确定其坠落路线与地点的，那这是不是意味着二级火箭也可以回收再利用呢？SpaceX为什么不在这块好好做点文章争取猎鹰9号的%可回收呢？

火箭的核心-发动机其实想要找到这个问题的答案，咱们还得再讨论两点，其一是火箭的核心，发动机，这是技术硬指标，其二是二级火箭存在的目标，这是商业软指标。

发动机方面，我们需要先了解一下其基本的工作原理。推进剂在发动机燃烧室里剧烈燃烧，产生高温高压的废气，这些废气被压进发动机的喷嘴并最终排放到大气中，从外观上形成壮丽的火焰柱，牛顿第三定律指出，相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，高压废气在被发动机压出喷嘴的同时，会给发动机大小相等方向相反的作用力，火箭就是借助这股力量飞行的。

如果你看过SpaceX的梅林发动机或猛禽发动机，你会发现虽然发动机的型号相同，但外观上却有着很大的差异，多数情况下，同型号发动机都包含两个版本，一个是海平面版本，一个是真空版本，说白了就是一个适用于在大气层中使用，一个适用于在真空中使用，外观上最大的区别就是，真空版本的发动机喷嘴要大的多。猎鹰9号一级火箭搭载了9枚直径仅有0.9米的海平面版梅林发动机，二级火箭搭载了一枚直径高达3.3米的真空版梅林发动机，为什么在海平面和真空中有这种区别呢？发动机喷嘴的大小对发动机的能效有什么影响呢？

牛顿告诉我们，力的大小取决于物体质量与速度的乘积，比如2公斤的物体以3米每秒的速度移动，那么其动力就是6牛顿，对火箭发动机而言，想要提高发动机的推力，尽可能地提高废气喷出的速度便是一个良好的选择，在发动机的构造中，影响废气排出速度的一大参数之一，就是发动机喷嘴的大小，喷嘴越大，废气被压出的速度就越快，被排出的废气的压强与温度也就越低，比如海平面版本的梅林发动机，经喷嘴排出的废气的压强仅约为0.7个大气压，温度在1度左右，但是速度超过公里每小时，真空版本的梅林发动机排出的废气压强仅有0.03个大气压，温度在0度左右，但是速度已经高达12公里每小时，很明显，在产生动力的关键因子上，真空版本相较于海平面版本的优势在于更快的废气排放速度，但这并不意味着真空版的发动机能效就一定比海平面版本的高，因为在发动机工作时，其周围的大气压强同样扮演着重要的角色。

比如猎鹰9号在地表刚点火时，其海平面版发动机的喷嘴排出的废气压强只有0.7个大气压左右，而其周围却是1个标准的大气压强，这种压强差会逼迫着从喷嘴中排出废气向喷嘴中线靠拢，从而使废气的压力方向跟发动机的中线产生了一个夹角，那么废气提供给发动机的反作用力也就不是垂直向上的了，这就在一定程度上降低了发动机的能效。

马赫环这个词大家应该都听说过，多数人将其误解为是发动机动力出色的标志，其实不然，马赫环的出现，只是标志着发动机在当前大气压强下，未能完全利用废气产生的反作用力，当然，随着飞机或火箭高度的爬升，当发动机排出的废气压强正好等于其周围的大气压强时，那就是发动机能效最饱满的时候，因为没有了废气与大气之间的压强差，废气将完全沿着发动机中线方向移动，发动机受到的反作用推力跟发动机的中线是完全贴合的。

所以到此为止，相信各位应该对猎鹰9号海平面梅林的动力能效有了一个清晰的认知，那就是火箭在飞行到大气压强为0.7的高度之前，动力能效并不是最佳，从大约第40秒开始，猎鹰9号的9台海平面梅林开始了其最大能效输出，猎鹰9号也借此加大水平方向的飞行力度，但发动机的满能效表现并不会持续太久，因为随着飞行高度的提升，大气压强还在继续下降，此时，发动机喷嘴排出的废气压强已高于周围的大气压，废气便会出现跟马赫环向内收紧相反的外泄表现，从远处看，猎鹰9号一级火箭的尾焰会大幅扩散，废气给火箭提供的反作用力也越来越小，此时，如果不想办法切换动力继续高效输出，载荷想要到达第一宇宙速度是很困难的，这个时候，二级火箭出场了。

猎鹰9号一级火箭会在约60公里的高度、公里每小时的速度之时跟二级火箭分离，并借助预留的燃料主动式返回地表，二级火箭的真空发动机同时点火，以12公里每小时的速度排出压强仅有约0.03的废气，这股废气在60公里及以上的高度上又可以阶段性发挥出最大动力能效，继续为载荷保驾护航，直至公里的低地球轨道！

很明显，“人如其名”，海平面版发动机适用于60公里以下的低空，真空版发动机适用于60公里以上的高空，这主要是由二者排出的废气压强决定的，如果想让二级火箭跟一级火箭一样主动回收来个LandingBurn，其0.03的废气压强根本抗不过周围的大气压强，台长都可以想像得出，如果在地表点火一台真空版本的发动机，那马赫环的环密度将会相当的惊人，至于动力输出，甚至都可以忽略不计，所以二级火箭的真空发动机，决定了其不能主动回收。

二级火箭的存在价值动力不够有朋友可能会提出，为什么不让二级火箭被动式回收呢？比如给它配备个降落伞？很好！这正好涉及了二级火箭的存在目标，也就是那个商业软指标。

第一，衡量一枚火箭运载能力的最重要指标是什么？当然是LEO、GTO等轨道的输送能力，说白了就是向某一轨道能够发送多重的载荷，如果给二级火箭配备降落伞，这势必会增加二级火箭的重量，在一级火箭的运载能力不变的情况下，这势必会降低载荷的上限重量，火箭的整体运输能力也就下降了。

第二，并不是单纯给二给火箭配备降落伞它就能安全返回地表，前面已经提到，二级火箭返回的高度在公里，速度是2公里每小时，即使它能够主动制动机械翻转降速降轨返回地表，但在地球重力的影响之下，二级火箭依然会加速下跌，随着高度的降低，大气密度的增加，二级火箭的横截面会大幅压缩其下跌方向上的空气密度，于是在火箭跟其下方的空气之间，会形成一个超过00度的高温气层，想要避免二级火箭被高温灼伤，就必须要在其下方安装隔热层，就像星舰20那样，几乎半个机体都安装了隔热层，这势必又会增加二级火箭的重量，又进一步降低了火箭整体的载荷量。

第三，鉴于二级火箭的结构，如果被动回收，它只有两个落脚点，其一就是海面，其二就是像整流罩一样采用网船捕获的方式，如果二级火箭落到水里，其发动机在海水的浸泡之下会大大降低其复用价值，如果采用网船捕获，又会增加一笔成本投入，一枚全新的猎鹰9号二级火箭的造价仅约万美元，想必马斯克应该算过这笔账。所以鉴于以上三点，对猎鹰9号而言，回收其二级火箭已没有性价比可言，但马斯克又处处强调成本，他也一直在推进%可复用火箭的研发工作，那就是SpaceX目前正在研发的星舰。

未来的火箭二级星舰相较于猎鹰9号二级火箭而言已经发生了质的变化！其一，二级星舰配备了类似于飞机的小型前后襟翼，便于其从高空水平降落时缓冲下坠速度；其二，二级星舰配备了完整的隔热层，面积接近机身总表面积的50%，可在其下落过程中对机身提供有效的防护；其三，二级星舰同时配备了海平面版和真空版的猛禽发动机，既能在接近真空的地球轨道上飞行，又能在地表提供动力让其垂直降落，可以说二级星舰的设计，简直是万金油的存在！

好啦，又是一篇接近字的长文，台长发现，只要有兴趣去深入挖掘，总会获得一些额外的收获，合体的大星舰今年有望进行轨道级飞行测试，无论成功失败，届时航天界又是一片哗然，我们在看热闹的同时，一定要清醒地认识到，发动机，永远是火箭的灵魂！

我是台长，专注航天，如果你也喜欢，就点个

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