新谢泼德火箭 ：历史性的垂直软着陆
发射升空
庆祝回收成功
火箭点火
2015年11月23日，美国蓝色起源公司“新谢泼德”火箭垂直发射升空，飞到距离地面100.5千米的高空，历史性地实现了火箭推进段的精确垂直软着陆，这是人类历史上第一个越过卡门线并垂直着陆成功的航天器，是人类垂直起降火箭发展史上的重要里程碑。
新谢泼德的诞生
太空探索技术公司“猎鹰”9号火箭可重复使用的尝试曾屡战屡败，很多人据此认为可重复使用尤其是垂直降落技术，还是一个需要很长时间才能攻克的难关。不过历史总爱和我们开玩笑，1903年兰利的飞机试飞失败后，《纽约时报》的编辑老调重弹称有动力飞行还是鸟类的天下，但莱特兄弟的飞行者一号两个月后就成功进行了首次试飞。同样，太空探索技术公司猎鹰九号火箭海上着陆连续失败，2015年6月28日又出现了猎鹰九号火箭发射爆炸的事故，可是不过5个月后新谢泼德火箭就出人意料的成功实现了火箭的垂直着陆，这只不过是它的第二次飞行试验而已。
我们常说不积跬步无以至千里，新谢泼德火箭到底是何方神圣，它的垂直着陆为什么如此引人注目呢，它又为什么进展如此神速呢？自从人类进入航天时代以来，就深受运载火箭价格居高不下的困扰，原因何在呢？无需专家，即使是普通人也可以轻松的分析出原因，不外是火箭一次性使用的缘故。如果一架飞机只能飞一个架次，一辆车只能开一次就报废，航空工业和汽车工业自然无法大发展，而航天发射的症结就在火箭一次性使用上。重复使用理论上能降低发射成本，但发射入轨的运载火箭外界环境苛刻，对设计制造要求高，连航天飞机那样一级半部分重复使用的运载器也没能实现降低发射成本的目标。简单仿效飞机的路子行不通，那么在火箭的基础上做垂直起降（VTVL）的运载工具行不行呢，这就是新谢泼德和猎鹰九号火箭正在努力的方向。
回顾历史，“新谢泼德”火箭的着陆成功绝非偶然，这条路线上“新谢泼德”火箭并非先行者。不考虑二战时期德国的Ba349这样太过久远的设计，历史上最著名的垂直起降航天器设计当属阿波罗登月舱，而地球环境测试的非 “三角快帆” （DC-X）莫属。DC-X飞行器在20世纪90年代进行了多次试飞，试图验证垂直起降技术并发展出一种使用液氧液氢发动机、单级入轨的可重复使用航天器。DC-X在试飞中达到了3000多米的飞行高度，验证了垂直起飞和降落的技术，为后续美国航宇局研制“冒险星”垂直起飞单级入轨航天器奠定了基础。
2000年杰夫·贝佐斯创建了蓝色起源公司，他雇佣了部分参与“三角快帆”的工程师，开始蓝色起源公司自己的垂直起降飞行器设计。蓝色起源公司早期的技术验证器外形和“三角快帆”神似。“新谢泼德”火箭的垂直起降控制技术借鉴了“三角快帆”的成败经验，甚至发动机都使用了液氧液氢推进剂。氢氧发动机的综合使用成本较高，蓝色起源公司使用氢氧发动机在新兴航天公司中可以说是一个另类，但考虑“三角快帆”的背景，这倒是正常的选择。
火箭着陆1
火箭着陆2
火箭发射轨道示意图
“新谢泼德”与“猎鹰”9号对比图
火箭着陆3
“新谢泼德”的设计和试验
“新谢泼德”火箭是一种单级可重复使用的垂直起降火箭，它包括一个大直径的增压乘员舱和一个氢氧火箭推进段。乘员舱拥有大约530立方英尺（15立方米）的内部容积，几乎是阿兰·谢泼德乘坐的水星飞船的10倍，它还设计了巨大而明亮的窗户，完美地满足了6人太空旅游的需求。乘员舱使用类似“阿波罗”和“猎户座”飞船的带冗余功能的三伞群伞，还拥有基于固体火箭发动机的全包线逃逸系统，着陆时还有一个反推系统降低冲击，可以说把安全和舒适做到了极致。
“新谢泼德”火箭的推进段使用了单发BE-3液氧液氢发动机，并设计了多样和复杂的返回着陆控制系统。BE-3是目前人类投入使用的第一台抽气循环的氢氧发动机，它省去了传统发动机的燃气发生器/预燃室，从燃烧室直接抽取一小部分燃气驱动双涡轮泵，从而提高了发动机工作的可靠性。BE-3发动机额定推力为49.896吨，可以节流到9.072吨，推力可以降低到额定的18%，这样的深度节流设计构成了火箭推进段垂直起降的基础。火箭推进段需要从超过100千米的高空下落，控制姿态并受控精确降落，为此蓝色起源公司为其设计了环形和楔形鳍翼面，还有8个可展开的减速板用于降低速度，火箭尾部还安装了控制液压驱动的控制翼面保证火箭升降过程中的稳定，尾翼设计上甚至可以在最高4马赫的速度下正常工作，从而保证了“新谢泼德”火箭上升和下降全程的可控性。作为一种垂直起降的火箭，“新谢泼德”火箭也安装了可收放的着陆腿，用于定点精确降落。根据蓝色起源公司的介绍，“新谢泼德”火箭垂直发射，火箭发动机加速时间约2分半钟，随后进入自由落体飞行阶段，返回乘员舱在起飞约10分钟后着陆。
蓝色起源公司创立于2000年，甚至比目前风头正劲的太空探索技术公司历史更长一些，但它过去的业绩要逊色得多。2015年，“新谢泼德”火箭开始首次飞行试验，不过该公司的戈达德试验飞行器2006年就飞到87米高度并着陆成功，随后PM2试验飞行器曾飞到14000米高空，速度达到1.2马赫，不仅实现了超音速，更在飞行高度上远远超过了老前辈“三角快帆”垂直起降试验器，也比太空探索技术公司的“蚱蜢”试验飞行器高得多。乐极难免生悲，PM2试验器在这个高度上由于攻角超过了限制坠毁，“新谢泼德”火箭也因此进度大大滞后。尽管如此，蓝色起源公司的早期探索外加继承自“三角快帆”的经验技术，为“新谢泼德”火箭的垂直降落奠定了坚实的基础。
2015年4月29日，“新谢泼德”进行了首次试飞，成功飞到93.5千米的高空，乘员舱分离、下降和着陆都相当成功，但推进段由于液压系统故障失压而失去控制，最后推进段坠毁爆炸。无巧不成书，太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭第一级返回试验时，也曾遇到液压系统的问题，但“猎鹰”9号的问题是液压油不够无法维持足够长时间的控制，导致火箭第一级的控制舵在最后阶段失效。“猎鹰”9号火箭后来修正了这个低级错误，实现了全程控制，“新谢泼德”火箭解决液压系统的问题也没有多大难度，既然设计上不存在大的缺陷，它的成功同样指日可待。
2015年11月23日美国中部时间上午11点21分，一枚新的“新谢泼德”火箭发射升空。“新谢泼德”火箭最高速度达到了3.72马赫，飞行高度超过了100千米，乘员舱于11点32分软着陆，更动人心弦的是“新谢泼德”火箭推进段实现了软着陆！飞行试验中推进段的控制系统控制出色，即使是191.47千米/小时的高空横风下，也保持了推进段的稳定，它的8个减速板展开后将垂直下落速度降低到622.68千米/小时。距离地面1492.3米时，BE-3发动机再次点火，让“新谢泼德”火箭推进段进一步减速并飞向预定的着陆场，最后以7.08千米/小时的垂直速度软着陆。
从官方发布的视频看，新谢泼德推进段发动机的推力矢量控制相当有效，保证了下降末段的垂直稳定性。需要格外强调的是，最后降落前新谢泼德火箭还有一个明显的悬停动作修正姿态和位置，确保了最后软着陆的成功。悬停动作需要发动机拥有深度节流能力或是火箭拥有较大的剩余质量，确保发动机推力和重力相当。从公开资料分析，“新谢泼德”火箭起飞质量30吨左右，最重要的是它的空重约为10吨，远远高于BE-3发动机的最小推力，可以确保推重比等于1的稳定悬停状态。“蚱蜢”垂直起降试验器的垂直着陆也有类似的悬停，而实际发射的“猎鹰”9号火箭第一级的几次着陆试验中，由于发动机推力大加上结构质量轻，只能在推重比大于1的条件下减速软着陆，这恐怕是它海上着陆连续失败的原因之一。
“新谢泼德”火箭垂直着陆成功后，人们习惯性地对比垂直着陆屡战屡败的“猎鹰”9号火箭，认为蓝色起源公司占据了先机，不过这对太空探索技术公司并不公平。且不说“蚱蜢”试验飞行器已经成功进行了多次垂直起降，其中包括横风下横向机动并垂直返回降落的试验，“猎鹰”9号第一级的返回再入与垂直着陆的难度要比新谢泼德大得多。
“猎鹰”9号火箭第一级分离时，速度达到了6马赫~7马赫，而且飞行方向几乎和地面平行，随后火箭发动机点火反推减速，第一级受控再入大气层，大气高层超音速情况下点火再次减速，最后在靠近海面时发动机第三次点火工作，控制第一级减速着陆海上平台。对比“新谢泼德”火箭，“猎鹰”9号火箭的第一级飞行速度更快高度更高，再入控制和防热难度也更大，甚至不得不增加了高空点火减速的环节。“猎鹰”9号火箭首先是一种商用运载火箭，因此它的第一级无法像“新谢泼德”火箭那样使用复杂的控制舵面和多种控制手段，这都增加了“猎鹰”9号的难度。最后着陆阶段，“猎鹰”9号火箭处于高难度的减速下降状态，而推进剂余量和液压控制系统只能保证一次着陆，火箭只有在着陆瞬间正好将速度降低到着陆腿所能承受的范围内，同时控制好火箭姿态，才能保证着陆的成功，而“新谢泼德”则可以在悬停时调整姿态和控制速度，可见，“猎鹰”9号第一级固有的着陆难度是远高于“新谢泼德”火箭的。
“新谢泼德”火箭成功跨过卡门线并着陆成功，这个里程碑在垂直起降航天器的发展史上具有重要的象征性意义。好事成双，12月22日，“猎鹰”9号火箭发射轨道通信公司的第二代卫星后，第一级也垂直着陆成功。太空探索技术公司苦心攻关运载火箭的重复使用，至此取得了里程碑式的成功。对比新谢泼德的成功，“猎鹰”9号第一级实现垂直着陆对轨道发射的意义更大，有望为未来大幅度降低发射成本铺平道路。
“二手火箭”发射再着陆回收
1月22日，蓝色起源公司从位于美国南部的西得克萨斯基地，用去年11月发射并垂直着陆的“新谢泼德”火箭将无人载人舱发射至距地面101.7千米的高处，刚好超过所谓的卡门线，之后火箭和载人舱成功软着陆，可以回收再利用。这是世界上第一次成功实现“二手火箭”发射再着陆回收。
该公司公布了着陆视频，并在视频中说：“第一枚飞过卡门线并返回地球垂直降落的火箭……现在成了第一枚两次完成同一任务的火箭。” 卡门线位于海拔100千米处，通常用来作为太空与地球大气层的界线。
本次发射更换了载人舱的降落伞以及一些点火器，做了一些功能以及电子设备方面的检查，并升级了几个软件。本次回收最主要的一个改变是，火箭上次落到降落场的中心位置，而此次只是让火箭返回一开始时瞄准降落场中心位置，但最后可落到降落场上任何方便的位置，以减少不必要的校正工作。这种着陆策略与飞机着陆差不多，增加了调整空间，提高了火箭在低空抵御风干扰的能力。
蓝色起源表示，今年将会“一次又一次”进行“新谢泼德”亚轨道火箭的发射回收试验。
未来展望
“新谢泼德”这个名字是为了纪念美国第一个上天的航天员阿兰·谢泼德，巧合的是阿兰·谢泼德的首次飞行是亚轨道飞行，而“新谢泼德”火箭着眼的市场恰好是亚轨道旅游。它只会把太空游客送入亚轨道，在飞行中体验数分钟的失重感受。“新谢泼德”火箭商业飞行也将越过100千米高度的卡门线，失重加高空视野带给游客进入太空的感觉，这也是包括山猫飞机、太空船二号飞船等亚轨道旅游的共同特点。
完全重复使用的“新谢泼德”火箭虽然技术难度较低，但绝并不意味着它前景黯淡。亚轨道飞行和轨道发射是泾渭分明的市场，虽然目前轨道发射的市场规模更大，但从技术和商业上说，亚轨道旅游可能拥有更广阔的前途。亚轨道飞行体验太空环境的时间一般只有数分钟或是略长，固然体验时间上无法与轨道旅游相比，但亚轨道旅游的船票只有几万到十几万美元不等，比之动辄数千万美元的轨道旅游船票，为更多的人提供了上天的机会，技术成熟后亚轨道旅游必将是一个广泛的市场，这将是一个上万亿美元市场的开端。
人们经常用PC革命的成功鼓舞商业航天投资者的信心。如果将当年IBM的大型机比作老牌航天公司的轨道发射业务，那么商业公司的轨道发射业务更类似当年DEC的小型机，而“新谢泼德”这样的亚轨道火箭才更像是初出茅庐的PC机。最早的PC机使用16位的8088处理器和640KB内存，而同期DEC小型机早就是32位系统，足以挤占IBM大型机的市场，但时过境迁之后，还是面向普通个人用户的PC机笑到了最后。商业航天领域很可能重复昨天的故事：以“新谢泼德”火箭为代表的完全复用亚轨道火箭，可能在未来20年内开拓亚轨道旅游这个虽然技术不够高大上但更为广阔的市场，并在技术和工程经验积累成熟后，开启真正的廉价轨道发射时代。
蓝色起源公司总裁杰夫·贝佐斯
“新谢泼德”火箭可收放的着陆腿