撰文｜戴晶晶

制圖｜周奕彤

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12月23日10時(shí)00分，長(zhǎng)征十二號(hào)甲（CZ - 12A）可重復(fù)使用運(yùn)載火箭在酒泉東風(fēng)商業(yè)航天創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)首次發(fā)射。點(diǎn)火瞬間，轟鳴聲回蕩在戈壁灘上空，火箭拖曳著明亮的藍(lán)紫色尾焰迅速升空。

長(zhǎng)征十二號(hào)甲是一型以實(shí)現(xiàn)“一級(jí)重復(fù)使用”為核心特征的液氧甲烷運(yùn)載火箭，由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第八研究院抓總研制。它也是中國(guó)第二款首飛即嘗試開(kāi)展可回收技術(shù)驗(yàn)證的運(yùn)載火箭。

在外界的期待中，長(zhǎng)征十二號(hào)甲火箭二子級(jí)順利進(jìn)入預(yù)定軌道，飛行試驗(yàn)任務(wù)獲得基本成功，但一子級(jí)回收宣告失敗。[1]

在多級(jí)運(yùn)載火箭中，一級(jí)火箭是最先點(diǎn)火的級(jí)段，負(fù)責(zé)將火箭從地面起飛并加速至高空，在燃料耗盡后分離；二級(jí)在一級(jí)分離后點(diǎn)火工作，繼續(xù)加速并將有效載荷送入預(yù)定軌道。

不久前的12月3日，中國(guó)商業(yè)航天公司藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱“藍(lán)箭航天”）的“朱雀三號(hào)”遙一運(yùn)載火箭成功發(fā)射并入軌，但在一級(jí)回收驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)生異常燃燒，未能實(shí)現(xiàn)回收?qǐng)銎很浿?，回收試?yàn)同樣未獲成功。[2]

這意味著，迄今為止美國(guó)依然是唯一成功回收一級(jí)火箭的國(guó)家。2025年11月13日，美國(guó)藍(lán)色起源公司（Blue Origin）發(fā)射“新格倫”運(yùn)載火箭，并成功回收其第一級(jí)，成為繼Space X之后，第二家實(shí)現(xiàn)軌道級(jí)火箭發(fā)射并回收的商業(yè)航天企業(yè)。

火箭探索回收復(fù)用之路充滿挑戰(zhàn)，“新格倫”和SpaceX的“獵鷹9號(hào)”的首次回收試驗(yàn)也均未成功，過(guò)程中交了昂貴的學(xué)費(fèi)。那么，為何火箭回收如此困難？我們應(yīng)如何看待這些失敗的意義？

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像飲料瓶一樣回收火箭

傳統(tǒng)的多級(jí)運(yùn)載火箭采用一次性設(shè)計(jì)，在完成發(fā)射任務(wù)后，各級(jí)與箭體分離，隨后墜落至陸上無(wú)人區(qū)或遠(yuǎn)海海域，無(wú)法再次利用。這種模式造成了大量的資源浪費(fèi)與經(jīng)濟(jì)成本，尤其是集成了核心動(dòng)力系統(tǒng)的一子級(jí)，通常是火箭成本占比最高的部分。

出于成本的考慮，可復(fù)用火箭的構(gòu)想出現(xiàn)已久。

錢(qián)學(xué)森在1963年出版的《星際航行概論》中就討論了運(yùn)載火箭的回收：“占起飛重量絕大部分的是推進(jìn)劑，它卻比較便宜……比較貴的空火箭卻白白扔掉，在今天星際航行的初始試驗(yàn)階段，飛行次數(shù)很少，這樣做還可以，但將來(lái)也這樣做就是浪費(fèi)，所以我們應(yīng)該想辦法把空的運(yùn)載火箭收回來(lái)，多次使用?！盵3]

1993年，美國(guó)麥道公司的試驗(yàn)箭三角快帆（DC-X）完成了首次火箭垂直起降演示，驗(yàn)證了垂直回收技術(shù)的可行性。但是直到2011年埃隆·馬斯克的Space X宣布可回收運(yùn)載火箭計(jì)劃，火箭復(fù)用技術(shù)才開(kāi)始快速成熟與工程化。

2015年12月22日，Space X成功發(fā)射“獵鷹9號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了一級(jí)火箭軟著陸，開(kāi)創(chuàng)了火箭從太空直接垂直回收的歷史。

經(jīng)歷了兩年多的實(shí)驗(yàn)后，“獵鷹9號(hào)”的回收著陸成功率顯著上升，后續(xù)掌握整流罩的回收和復(fù)用能力。截至目前，“獵鷹9號(hào)”已經(jīng)成功完成了500余次的一級(jí)助推器回收。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心研究員哈里·瓊斯在2018年的評(píng)估報(bào)告，按當(dāng)時(shí)“獵鷹9號(hào)”公開(kāi)的報(bào)價(jià)計(jì)算，商業(yè)運(yùn)載火箭已將進(jìn)入近地軌道的單位發(fā)射成本降低至航天飛機(jī)時(shí)代的大約二十分之一。[4]

商業(yè)航天是指具有商業(yè)盈利模式的航天活動(dòng)?；鸺\(yùn)輸可以類比為通往太空的“高速公路”，快速增長(zhǎng)的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，尤其是大規(guī)模星座部署需求，直接驅(qū)動(dòng)了商業(yè)航天的發(fā)展。

火箭的可重復(fù)使用能夠顯著壓低單次發(fā)射的邊際成本，而具備可復(fù)用能力、可靠批量生產(chǎn)能力的大運(yùn)力火箭，將在競(jìng)爭(zhēng)中率先建立優(yōu)勢(shì)。

據(jù)人民網(wǎng)報(bào)道，“朱雀三號(hào)”設(shè)計(jì)的復(fù)用次數(shù)不少于20次，目標(biāo)就是將發(fā)射成本壓縮至2萬(wàn)元/公斤。[5]

中山大學(xué)航空航天學(xué)院副教授張亮告訴《知識(shí)分子》，一個(gè)型號(hào)火箭的研發(fā)投入至少10億元起步，還不包括一些輔助配套設(shè)施（例如發(fā)射場(chǎng)建設(shè)，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)保障等）。對(duì)于商業(yè)火箭公司來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)巨大的投入，如果沒(méi)有極大的發(fā)射需求，前期的投入需要5年乃至10年以上的周期才有可能回本。

“因此，為了降低成本，商業(yè)火箭公司一定會(huì)走可回收技術(shù)或者通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈集成，基于民用產(chǎn)品或可大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品來(lái)開(kāi)展火箭設(shè)計(jì)。”張亮說(shuō)。

02

為什么那么難？

運(yùn)載火箭的發(fā)射與回收是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)、高投入和高技術(shù)含量的技術(shù)領(lǐng)域。張亮解釋稱，這個(gè)過(guò)程中涉及箭體總體設(shè)計(jì)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、航電系統(tǒng)集成、結(jié)構(gòu)增材制造、發(fā)射場(chǎng)保障、推進(jìn)劑加注、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造和著陸緩沖等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

“由于火箭回收技術(shù)是新出現(xiàn)的技術(shù)形態(tài)，全球都是在探索中，無(wú)太多技術(shù)可直接借鑒。前期‘獵鷹9號(hào)’失敗了很多次，星艦也試飛了11次，一半是失敗的，商業(yè)公司如果沒(méi)有雄厚資金和耐心，是無(wú)法做到的。”張亮表示。

在“獵鷹9號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)首次一級(jí)回收之前，經(jīng)歷了許多失敗和嘗試，包括四次重要的海上或陸地回收試驗(yàn)失敗，以及多次亞軌道回收測(cè)試。2015年1月，“獵鷹9號(hào)”在首次嘗試海上回收時(shí)，火箭撞上了駁船；2015年6月，火箭在發(fā)射后僅兩分鐘就發(fā)生爆炸并解體。

2025年1月，藍(lán)色起源公司在“新格倫”火箭的首次軌道級(jí)回收試驗(yàn)中也未能成功，直到同年11月才首次完成該火箭第一級(jí)的海上回收。

星艦是Space X開(kāi)發(fā)的一種可完全復(fù)用的重型運(yùn)載火箭，可搭載超百噸載荷。截至目前，星艦已完成11次試飛，經(jīng)歷多次爆炸和解體，在2025年10月的第11次試飛中才成功完成關(guān)鍵的受控濺落。

張亮表示，具體來(lái)看，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)火箭“可復(fù)用”面臨的挑戰(zhàn)包括：高精度的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)，以確保精確實(shí)現(xiàn)多約束的軟著陸目標(biāo)；高可靠、輕量化且可折疊的著陸緩沖裝置，確?；鸺茉陬A(yù)定著陸場(chǎng)垂直回收；大范圍推力精確可調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，能夠在30%-110%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)推力，并支持多次點(diǎn)火啟動(dòng)；高效氣動(dòng)控制舵裝置，能夠在保證輕量化的同時(shí)有效控制火箭姿態(tài)。

不過(guò)，回收也不代表能夠復(fù)用。張亮指出，還需要具備高效快速的箭體結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)技術(shù)，以對(duì)回收后的火箭箭體進(jìn)行迅速評(píng)估與檢測(cè)，確保其滿足再次使用的要求。

03

“炸火箭”當(dāng)學(xué)費(fèi)

張亮表示，航天工程到目前為止依然是高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，涉及了太多的關(guān)鍵技術(shù)的集成，一個(gè)小螺絲釘?shù)乃蓜?dòng)，一根電線的錯(cuò)接，一個(gè)微小的裂紋，一個(gè)零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效都有可能導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗。同時(shí)，一型火箭涉及上千人的協(xié)同配合，在信息傳遞或工作交接過(guò)程中出現(xiàn)的人為差錯(cuò)也可能導(dǎo)致發(fā)射失敗。

“運(yùn)載火箭的研制就是在不斷失敗中去改進(jìn)相關(guān)設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)技術(shù)迭代進(jìn)步，這與民航客機(jī)、新能源汽車和機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展思路都是一致的”張亮說(shuō)，為了避免發(fā)射失敗，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就要加強(qiáng)設(shè)計(jì)余量控制，減少人為失誤，做到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化流程，同時(shí)也要從每次發(fā)射過(guò)程中收到的數(shù)據(jù)去分析，改進(jìn)相關(guān)的設(shè)計(jì)，則技術(shù)成熟后是可以避免發(fā)射失敗的。

多位火箭商業(yè)公司的員工告訴《知識(shí)分子》，目前國(guó)內(nèi)商業(yè)航天進(jìn)入了攻堅(jiān)階段，入軌成功也是一個(gè)重要目標(biāo)，而“朱雀三號(hào)”的回收測(cè)試已經(jīng)接近成功。

“朱雀三號(hào)”運(yùn)載火箭總指揮戴政在接受央視新聞采訪時(shí)復(fù)盤(pán)稱，火箭從約40公里高度下降至距地面3公里的超音速滑行段氣動(dòng)控制表現(xiàn)良好，但真正的難點(diǎn)在3公里高度的著陸點(diǎn)火階段，對(duì)飛行控制提出了極高要求。由于最后減速未能成功，火箭未實(shí)現(xiàn)有效“剎車”，最終在距著陸中心點(diǎn)約40米處墜毀。[6]

“經(jīng)歷過(guò)失敗才能夠得到試錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)，公司的技術(shù)迭代才有可能走得更遠(yuǎn)，如果始終不邁出那一步，可能就獲得不了試錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)，離成功就沒(méi)有辦法更進(jìn)一步?！贝髡f(shuō)。

中國(guó)航天科技集團(tuán)也在長(zhǎng)征十二號(hào)甲首飛后表示，任務(wù)雖未實(shí)現(xiàn)預(yù)定的火箭一級(jí)回收目標(biāo)，但是獲取了火箭真實(shí)飛行狀態(tài)下的關(guān)鍵工程數(shù)據(jù)，為后續(xù)發(fā)射、子級(jí)可靠回收奠定了重要基礎(chǔ)。

04

中國(guó)商業(yè)航天的未來(lái)

2025年12月是中國(guó)可回收火箭集中首飛的關(guān)鍵時(shí)期。在“朱雀三號(hào)”和長(zhǎng)征十二號(hào)甲之后，北京天兵科技有限公司（簡(jiǎn)稱“天兵科技”）的“天龍三號(hào)”可回收火箭也預(yù)計(jì)進(jìn)行首飛，但此次飛行主要驗(yàn)證部分關(guān)鍵能力和數(shù)據(jù)，不涉及完整回收。

目前，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的可復(fù)用火箭箭型還包括“智神星一號(hào)”、長(zhǎng)征十二號(hào)乙、“元行者一號(hào)”、“星云一號(hào)”、“力箭二號(hào)”和“雙曲線三號(hào)”等。

針對(duì)可復(fù)用火箭的設(shè)計(jì)，張亮認(rèn)為其主要取決于任務(wù)需求，“獵鷹9號(hào)”的設(shè)計(jì)主要就是面向快速發(fā)射部署星鏈衛(wèi)星，因此其設(shè)計(jì)之初就瞄準(zhǔn)大批量、大運(yùn)載和多次可復(fù)用的目標(biāo)。

“如果發(fā)射的載荷不是同一型號(hào)、同一軌道的衛(wèi)星載荷，那么這種設(shè)計(jì)就不一定合適?！睆埩林赋?，另外，如果未來(lái)技術(shù)能夠?qū)⒓w和發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本降低到百萬(wàn)級(jí)以下，火箭就不必強(qiáng)制設(shè)計(jì)為可重復(fù)使用。

從實(shí)際情況來(lái)看，張亮認(rèn)為，雖然運(yùn)載能力和復(fù)用次數(shù)越高，火箭的性能也越好，但相應(yīng)的制造成本和可靠性要求也會(huì)更高。因此，運(yùn)載能力并不是越高越好。可重復(fù)使用火箭的總體設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)未來(lái)的發(fā)射載荷需求進(jìn)行規(guī)劃。

目前，我國(guó)商業(yè)火箭公司研制的“朱雀三號(hào)”、“天龍三號(hào)”、“力箭二號(hào)”、“雙曲線三號(hào)”和“引力二號(hào)”等火箭的起飛質(zhì)量都在500噸左右，運(yùn)載能力為10至18噸，主要針對(duì)國(guó)網(wǎng)衛(wèi)星和垣信衛(wèi)星的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座部署。

“一旦這些星座建成，且不再需要如此大的運(yùn)載能力，相關(guān)火箭設(shè)計(jì)就需要進(jìn)行更新。此外，如果未來(lái)涉及月球基地或火星開(kāi)發(fā)，火箭的運(yùn)載能力需求將發(fā)生變化?！?/p>

張亮最后說(shuō)明，技術(shù)的迭代一定會(huì)推動(dòng)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，以后大家可以低成本的體驗(yàn)太空旅游、月球旅游或空間站旅游等等，讓普通民眾觸手可及。

參考文獻(xiàn)：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/mJ2JoPMm5WgUjgWZqdZMzA

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/l0HitsBfMN1Fm1uXBBCcoA

[3]錢(qián)學(xué)森《星際航行概論》

[4]https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20200001093/downloads/20200001093.pdf

[5]http://politics.people.com.cn/n1/2025/0628/c1001-40510625.html

[6]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1851504960554320739

本文轉(zhuǎn)載自《知識(shí)分子》微信公眾號(hào)

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