小火箭出品必属精品本文作者：邢强
本文共字，90图。
预计阅读时间：1小时30分钟。
好久不见！
如今，距离人类最后一架航天飞机在年7月21日的退役，已经过去了天，也就是9年3个月零6天。
有关可重复使用航天运载器的技术，已经进入了新的时代。虽然相较于航天飞机机队的次任务（其中次成功）来说，数量还未能形成超越，但是对于垂直起飞且其第一级能够垂直软着陆的运载火箭来说，已经结束了技术可行性和商业价值方面的争论，进入了大量工程实践应用的时代。
以垂直起飞和垂直着陆的猎鹰9号运载火箭家族这个典型范例来说，至今，她已经进行了99次发射，其中97次圆满成功，1次星箭俱毁和1次部分失败，综合发射成功率为97.98%。
在年12月，猎鹰9号运载火箭实现了人类第一次陆上回收。到今天，将近五年时间里，猎鹰9号运载火箭家族共有73次回收尝试，成功63次，回收成功率为86.3%，超过预期估计的70%的成功率。
当下，SpaceX公司拥有25个运载火箭第一级重复使用的芯级，并且有的芯级已经成功使用了6次。
除猎鹰9号这样的运载火箭之外，实际上，人类还有其他重复使用航天运载器的技术方案，总体来说，小火箭按照起飞和着陆的姿态，可以将其分为四个大类：
垂直起飞-垂直着陆（比如猎鹰9号运载火箭）、
垂直起飞-水平着陆（航天飞机）、
水平起飞-垂直着陆（未来的大型载机携带可回收火箭方案）、
水平起飞-水平着陆（二级空天飞机）。
可重复使用航天运载器，技术方案复杂，工程系统庞大，涉及型号众多，是气动、结构、控制和动力等多个分系统的精妙组合与通力合作才能够实现的。
本文，小火箭努力以技术发展的时间脉络为经，以关键技术的崛起与沉寂再到复兴为纬，努力重构出人类可重复使用航天运载器的发展简史。
一方面，这有助于咱们更加系统地认识这个对于人类进出太空有着重要意义的航天器，另一方面，也将尝试为这几十年来的发展进行总结归纳，对未来的发展提出设想和倡议。
溯源
该如何寻找人类可重复使用航天器的技术源头呢？
按小火箭第一定律：迄今为止，在人类工程技术发展史上，几乎没有任何一项尖端技术能够被军方所忽略。不管这项技术的初衷到底是用于提升人类的生活质量还是仅仅用来满足人类的好奇心，最终这些家伙大多都被用于增强军队的作战效能了。
于是，可重复使用航天运载器技术溯源，咱们依然是试着从军用技术层面去探寻。
年，第二次世界大战结束。这场战争，催生了诸多先进技术的工程实用化，正如小火箭第二定律所言：和平孕育科学，战争催生技术。
火箭发动机技术和惯性导航制导技术的迅速工程化以及以冯·布劳恩博士这样的工程师对战略资源的大量掌握使得人类航天运载器的鼻祖：V-2弹道导弹诞生了。
截止到第二次世界大战结束，V-2弹道导弹一共出厂枚，其中有枚V-2弹道导弹被发射。
V-1和V-2导弹项目的总耗资，换算成今天的美元，为.4亿美元，比研制出了原子弹的曼哈顿工程高出了48%。
二战结束后，近枚尚未来得及使用的V-2弹道导弹被美国、苏联、英国和法国等几大战胜国所瓜分。
其中，有枚V-2导弹被运往美国新墨西哥州的白沙靶场。在这里，这些V-2导弹被改造为各种试验火箭，为人类的运载火箭技术的发展奠定基础和积累宝贵的第一手数据。
当时的工程技术人员，已经有了尝试让V-2导弹部分回收的想法。
毕竟，枚的产量，是德国在二战期间动用举国之力，奋力完成的，花费巨大。
在战后，美国是很难用相同量级的投入来发展火箭技术的。
枚V-2导弹，对于白沙靶场来说，并不多。
因此，大家开始想着怎样用好这些导弹。
这种长14米，直径1.65米的弹道式飞行器，可以把整整1吨重的弹头抛射到公里之外的地方。
按弹道计算（详见小火箭之前的弹道分析），V-2弹道导弹的标准化典型作战弹道，其弹道最高点为88.1公里。
战后，美国工程师和德国工程师共同协作，给出了突破卡门线的弹道方案：导弹垂直起飞，然后按照最优弹道方程来控制推力方向，终究使得弹道高点突破公里，进入宇宙空间。
经过多次发射，穆勒型摆式陀螺加速度计表现出色，火箭发动机也工作良好。在这个基础上，为了节省V-2导弹，人们开始尝试降落伞回收的方案。
这就是人类可重复使用航天器设想的萌芽。
第一次挫折
可惜的是，那个年代，人类工程师对于降落伞的空气动力学认识还停留在伞降部队的单兵大伞的阶段，对于超声速开伞和再入弹道的认识，还比较模糊。
毕竟，人类第一次确定意义上的载人超声速飞行，要等到年10月份了。
年10月14日，美国空军成为一个独立军兵种刚刚一个来月之后，空军上校耶格尔驾驶X-1技术研制飞机从一架B-29轰炸机改进而来的载机腹部脱离。
随后，他启动了X-1技术验证机的火箭发动机，最终加速到了1.06马赫。
在这之前，人类对于空气的认识，大部分在亚声速阶段。
而V-2弹道导弹在再入稠密大气之前，能够达到公里/小时的速度，也就是1.公里/秒。这个速度，是声速的4.7倍。
如果考虑到当地声速的情况，实际上这已经进入了高超声速的范畴。
于是，在年和年，大量尝试回收V-2导弹的努力都以失败而告终。
在再入稠密大气瞬间匆忙打开的硕大降落伞立刻被迎面吹来的高超声速气流撕成碎片。
希望
不过，工程师就是这样一个群体：哪怕现实中的困难再大，也终究会不懈努力去寻求解决方案。毕竟，探求未知，造福人类这个誓言，不是仅仅说说而已的。
既然整体回收整枚V-2导弹不易实现，那么在现有技术条件下，尝试部分回收关键元器件的方法是不是就有一定的可能性了呢？
公元年10月24日（如今这个日子已经成为了全世界程序员的节日），一枚由V-2导弹改进而来的火箭，点火升空。
这枚火箭没有追求公里的弹道高点，而是把弹道最高点控制在公里处。火箭的弹头部位，有一个透明窗口。
窗口内，有一台35毫米黑白摄像机。35毫米，如今已经成为电源产业的经典复古标准，而这台摄像机则当之无愧地成为了人类文明史上的一个具备里程碑意义事件的当事者：她拍摄到了人类第一张在太空获取的地球影像。
裹在钢制外壳内的胶片，被成功回收。冲印出来的画面，令人激动不已：这是人类第一次凝视到地球母亲的面庞。
这枚V-2导弹也不再是冲出稠密大气，然后再入撞击地面的复仇武器，而是人类了解太空，探索新的航天技术的先行者。
第二次挫折
人类可重复使用航天运载器出现的第一次挫折，是由于高超声速开伞以及再入弹道精确控制技术的瓶颈，不得不暂时放弃整体回收的想法，改为回收关键部件和信息。
而第二次挫折，则不是技术层面的，而是来自美国和苏联的航天争霸。
年4月，苏联工程师认为，已经吃透V-2弹道导弹的技术，当月开启了仿制立项。
年9月，苏联对V-2弹道导弹仿制成功，定名为R-1弹道导弹。
相较于V-2导弹公里的射程和1吨重的弹头来说，苏联R-1弹道导弹稍显轻量化，其射程为公里，弹头重量为.1公斤。
然而，苏联导弹的精度要优于人类弹道导弹的鼻祖V-2导弹。
就在R-1刚刚实现小批量试生产的时候，苏联就用30枚德国原厂的V-2弹道导弹和苏联本土生产的R-1弹道导弹进行了抽样打靶试验。
结果为：V-2导弹总会出现向左偏离目标的趋势，多次调整后，依然有30公里的弹着点误差。而R-1弹道导弹的打击精度能够有效控制在5公里以内。
就在R-1弹道导弹在年11月28日开始正式入役的同一时期，R-1弹道导弹的系列改型出现，名为R-1A（高空探空试验火箭）、R-1B（生物试验火箭，携带狗进入高空），另有R-1V、R-1D和R-1E等一系列用于研究高层大气和宇宙射线以及远紫外光谱的科学研究火箭。
美国方面，对运载火箭技术的探究也在加速推进，并且开始着手发展二级运载技术。
公元年7月，佛罗里达州卡纳维拉尔角航天中心的一期工程完成。
上图为当月，在这里发射的一枚二级火箭。这枚火箭以V-2导弹作为第一级，其顶部顶着一个细长的固体火箭，作为其第二级。在美国通用电气集团的积极参与下，这款二级火箭能够够到公里的太空，同时还能够搜集大量有关宇宙射线和高层大气的数据。
另外，随着超声速风洞和高超声速风洞的出现，美国对可重复使用火箭的研究，再次提上了日程。
然而，巨型降落伞对于当时原本就不够富裕的推力而言，是个很大的负担。而且，在那个时候，美国和苏联的工程师面临两条技术路线的抉择难题：
要么，先发展可重复使用航天器技术，先大量进行亚轨道飞行，随后期待更大推力和更有效率的发动机出现，把可重复使用的亚轨道航天器变成具备入轨能力的运载火箭；
要么，暂时舍弃可重复使用航天器的技术，先保入轨，研制能够把人造地球卫星送入近地轨道的一次性使用的运载火箭，等时机成熟，再来想办法把这种一次性使用的运载火箭的部分或者整体变成可重复使用的。
实际上，任何技术输出方或者火箭工程师团体，在技术储备和资金储备都达到一定程度的时候，基本都要在这两条技术路线之间进行抉择。
甚至到了今天，我们依然能够在商业航天领域看到这样的抉择，比如蓝色起源公司选择了前者，优先发展可复用的亚轨道火箭新谢泼德号，而SpaceX公司则优先确保入轨，从猎鹰1号小型液体运载火箭入手，然后是一次性使用的猎鹰9号，最终发展出可以复用第一级的猎鹰9号运载火箭。
在上世纪50年代，美国和苏联工程师同样面临这样的抉择。
不过，最终，一场竞赛让人类航天运载器的科技树，在当时把几乎所有属性都点给了入轨。
年7月29日，美国发言人詹姆斯·哈格蒂召开新闻发布会，先是简要总结了美国对于火箭技术探索的情况，然后就抛出了一个重磅消息：
为了庆祝国际地球物理年，美国决定在年7月1日到年12月31日之间，择机发射人类第一颗人造地球卫星。
即将成为人类第一款具备入轨能力的运载火箭，将会是由美国国家科学基金会出资，由美国海军实验室管理的先锋系列运载火箭。
消息一出，全球瞩目。
年8月2日，国际宇航联合会第6届会议在丹麦的哥本哈根举行。4天前，美国宣布将会发射人类第一颗人造地球卫星的消息成为了本次大会意料之外的热点论题。
正在参会的苏联空气动力学家列昂尼德·塞多夫面对各国记者的追问和大量航天同行的垂询，款步走向演讲台，不慌不忙地说出这样一句话：
“巧了，苏联也正计划在不久的将来发射人类第一颗人造地球卫星。”
竞赛，开始了。
为了夺得人类航天技术发展史上的第一个圣杯——入轨，
美国和苏联工程师不约而同地让可重复使用的亚轨道航天器技术暂时停滞，开始集中精力发展一次性使用的能够把卫星送入预定轨道的运载火箭。
结果，已经写入了人类的历史教科书中：公元年10月4日，苏联成功把人类第一颗人造地球卫星送入预定轨道。苏联赢得了第一局。
年11月3日，苏联发射了人类第二颗人造地球卫星：重.3公斤的斯普特尼克2号。
这颗卫星把小狗莱卡送入了近地点公里，远地点公里，倾角为65.33°的大椭圆轨道。这是人造物体第一次飞到了距离地面公里以上的高度，同时也是人类第一次把生命送入环绕地球的轨道中。
然而，令人比较痛心的是当时苏联并未掌握航天器的可重复使用技术，小狗莱卡也就注定踏上了不归之路。
美国寄予厚望的先锋系列运载火箭，则不那么顺利，可以说，差距巨大。
和苏联使用洲际弹道导弹改型成运载火箭的技术路线不同，美国的先锋系列运载火箭是人类第一款专门设计用来执行非军事航天任务的航天器。
年12月6日，就在苏联开启人类航天时代之后两个月，美国先锋运载火箭携带1.36公斤重（相比较而言，苏联发射的第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号，重83.6公斤）的一颗卫星点火了。
但是，点火仅2秒，发动机就因为燃料箱压力过低而熄火了。
这枚先锋运载火箭的失败，使得美国错失了在年把人造卫星送入太空的机会。而此时，苏联已经在着手准备把第三颗人造地球卫星斯普特尼克3号送入太空了。
这颗卫星，发射质量为1.吨，是人类第一颗质量超过1吨的卫星，发射质量相当于美国准备在年发射的第一颗人造卫星的倍。
到了年，美国终于决定不再追求那个所谓非军事航天任务的名头，而去追求运载火箭技术和弹道导弹技术的本质了。
于是，冯·布劳恩博士，上线。
布劳恩博士主导的红石弹道导弹项目，受美国陆军的资助。虽然在早期竞标中，输给了海军的先锋火箭项目，但是他一直没有停止对红石导弹技术的发展。以红石导弹为第一级，然后往上串联三个固体火箭，就成为了朱诺四级运载火箭。
公元年2月1日协调世界时03点47分，朱诺1号运载火箭首次发射，随后把美国第一颗，人类第三颗人造地球卫星送入预定轨道。
这颗13.97公斤重的卫星，比起苏联的卫星来说，依然是小很多，但是相较于先锋火箭的1.36公斤的卫星来说，已经重了10倍了。
布劳恩博士给美国扳回了半局：虽然卫星又轻，入轨又晚，但是其远地点高度达到了公里，是人类的人造物体第一次碰触到公里以上的宇宙空间。
年5月23日，美国第一颗人造地球卫星探索1号耗尽电力，停止工作。年3月31日，探索1号再入稠密大气，在太平洋上空焚毁。
美国和苏联的首轮太空竞赛，给人类航天技术发展带来了深远的影响。
在年10月，斯普特尼克1号卫星进入太空以来，在当月，仅美国一份报刊中，就有篇文章提到该星，平均每天每份报刊都有11篇文章对此进行探讨。
年2月，时任美国总统艾森豪威尔授权组建了美国国防高等研究计划局DARPA，该局的入职誓言中有这样一句：要避免斯普特尼克1号事件再次出现。
年7月29日，时任美国总统艾森豪威尔《国家航空航天法案》，由此创建了美国国家航空航天局，也就是后来举世闻名的NASA，旨在大力促进航天技术的创新与发展。
美国在数学和物理方面的教育投资相较于年猛增了6倍。
航天技术开始迅猛发展，然而太空竞赛的白热化使得入轨、登月成为主题，不计代价不计成本的发展战略，使得可持续发展和可以大幅降低人类进入太空成本的可重复使用航天器技术成为了被忽视的项目。
以上就是可重复使用航天运载器技术遇到的第二次挫折。
空天飞机
在这第二次挫折期内，可重复使用航天运载器有一个技术分支，对后来的可重复使用技术有着深远的影响，那就是有翼可控再入飞行器，也就是非常朴素的空天飞机的概念的兴起。在此之前，人类的科学幻想中，对于航天飞行器的期待，天生就是可重复使用的。比如年的这部《目标：月球》科幻作品的封面，就是一枚可以靠自身尾翼支撑，具备垂直起飞和垂直着陆能力的火箭。
不过，后来人们逐渐认识到，火箭发动机的推力调节能力的局限性使得这种能够同时精确控制推力大小和方向的软着陆技术的实现尚需时日。
然而，从太空进入稠密大气的减速，不仅仅能够依靠降落伞，也不会仅仅靠火箭发动机，实际上，空气动力学同样能够给出不错的答案。
早在第二次世界大战期间，德国工程师桑格尔博士就提出银鸟计划。这是一种火箭动力带翼亚轨道飞行器。
她能够从德国起飞，然后利用飞行器的升阻特性，在稠密大气和高空稀薄大气之间跳跃滑行，飞到纽约市上空投下炸弹，然后继续滑行，在日本控制下的某个太平洋小岛的野战机场跑道水平着陆。
小火箭在年对桑格尔博士的弹道有了复现计算，认定其设想具备理论上的可行性，但是其再入大气时在飞行器驻点上会产生超过℃的高温，因此需要超高温合金或者耐热复合材料的保护。这些材料，是二战期间任何一个国家的技术水平都无法短期研制出来的。
年10月4日，苏联工程师把人类第一颗人造地球卫星送入近地轨道之后，银鸟计划被再次提起。
当年的德国工程师，有好几位都已经在美国工作了（包括当年的德国空天飞机项目工程师多恩伯格博士，他当时是美国贝尔公司的航天项目总工程师）。
年10月24日，X-20技术验证机项目正式立项。
年，通用电气公司技术攻关的超高温镍基合金41号金属研制成功。
年，耐超高温的氧化锆与石墨鼻锥试制成功。
按照计划，X-20应该在年进行首次滑翔试验。在年，进行18马赫动力飞行，并进行可重复使用空天飞行器技术积累测试。
但是，当时人们认为美国空军不应该插手美国的载人航天项目，并且X-20可重复使用飞行器技术过于超前，投入巨大，实现可能性不高。
最终，在各方压力下，美国空军在年12月10日，取消了X-20项目。
不过，这个令人眼前一亮的项目，注定会在人类技术发展历程中，再次复兴。
又有希望
转眼进入上世纪60年代中期。
此时，人类宇航员已经成功进入了太空。美国与苏联在航天领域的技术差距逐渐缩小，甚至在若干领域出现了领先。
然后，可重复使用航天运载器技术再次被提了出来。
鉴于当时的技术条件，对于运载火箭的复用，还是很难做到（主要瓶颈在于火箭发动机的深度推力调节技术）。
不过，对于飞船的复用，还是值得尝试的。
双子座飞船在与X-20空天飞机的竞争中胜出，成为了美国上世纪60年代中期重点发展的航天器。
年4月8日，一枚由大力神2号洲际弹道导弹改进而来的运载火箭把双子座1号无人测试飞船送入太空。
这艘飞船是双子座计划的开篇之作，在太空持续运行了3天零23小时，实现了所有在轨测试目标。
此时的双子座载人飞船的制造商麦克唐纳公司如日中天。在美国第一个载人航天项目水星计划中，麦克唐纳公司表现出色。
而在年5月27日，麦克唐纳公司耗费几乎全部力量豪赌打造的F-4鬼怪战斗机首飞成功，并立刻获得了军方的大力赞扬。进入上世纪60年代，鬼怪战斗机已经打破了包括绝对飞行速度和绝对飞行高度在内的15项飞行世界纪录。
这款最大飞行速度超过2.2马赫的战斗机首先被美国海军大量采购，随后又被美国海军陆战队和美国空军大量订购，同时很多国家的武器采购人员纷纷前来拜访，想要引进。
可以说，今天F-35战斗机梦寐以求想要获得的一切，正是当年F-4战斗机拥有的日常。
在23年的生产周期中，F-4战斗机共出厂架，至今依然是美国超声速飞机的产量巅峰。
年，手握海量战机订单的麦克唐纳公司，想起了工程师们憧憬了近20年的梦想：研制可重复使用的航天器。
人员、资金和政策都处于最好状态的麦克唐纳公司，果断领取了这个必将永载史册的任务。
年1月19日，双子座2号载人飞船进行了亚轨道飞行试验。大力神2号运载火箭将其送入太空。15分钟后，飞船溅落在大西洋，由尚普兰号航空母舰上起飞的一架西科斯基海王直升机打捞出来。
2个月后，这个在太空中飞行过，成功再入稠密大气且安然无恙的太空舱被送往美国空军的太空实验室进行研究。
年11月3日，卡纳维拉尔角空军基地第40号发射工位，一枚大力神3号C运载火箭拔地而起。一年前的那个双子座2号太空舱再次进入太空，并持续进行了30天的在轨空间科学试验，为今后的长期有人值守的空间站的建设提供了宝贵数据。
这是人类可重复使用航天器的第一次尝试，并且即使按今天的标准来看，也是比较成功的。
不过，出于对载人航天飞行器的可靠性的超高指标要求，这样的可重复使用技术尚未用于载人任务。
因此，就在可重复使用的双子座飞船进行维护改装的时候，美国进行了9次双子座载人飞船的发射，每次用的都是崭新的飞船。
当然，这对于麦克唐纳公司来说，也不一定是坏事情，飞船的订单量比预期的还是多了不少。
第三次挫折
就在麦克唐纳公司准备大力发展可重复使用飞船，为其内部的太空穿梭飞行器项目做技术积累的时候，来自美国宇航局的任务书使其改变了主意，开始配合大家，主攻人类航天技术的另一个圣杯：交会对接技术。
在年，美国输掉了发射人类第一颗人造地球卫星的竞赛；年，美国输掉了把第一次把人类送入太空的竞赛。
憋着一口气的美国工程师，在年12月15日，赢得了在轨交会的竞赛。
两位宇航员分别驾驶双子座6号和双子座7号飞船，在太空中，相互接近，直到距离仅有不到30厘米。以这个交会状态，两艘飞船相伴飞行了20分钟。
年3月16日，尼尔·阿姆斯特朗（没错，就是那位后来在年登上月球的那个阿姆斯特朗）驾驶双子座8号飞船，在太空中与无人驾驶的阿金纳目标飞行器对接成功，完成了人类航天器的首次太空对接。
年10月30日，进度上落后了一年半的苏联工程师，实现了宇宙-号和宇宙-号的太空对接。
虽然实现对接的时间稍晚，但是苏联两艘飞船都是无人飞船，整个对接过程是全自动的。
从这里开始，苏联和美国的航天技术发展路线开始出现分岔：
美国方面，更加注重载人飞行载具的发展，同时谋求更大的运载火箭；
苏联则更加注重自动化技术的发展，侧重在轨机动的轨道设计，因为苏联的R-7洲际弹道导弹家族改进而来的运载火箭确实足够领先，这样的火箭，把探测器送上金星和火星都妥妥的。
如日中天的麦克唐纳公司又去哪里了呢？
答：与道格拉斯公司合并了！
年4月28日，麦克唐纳公司与道格拉斯公司合并。两位公司的创始人，都是麻省理工学院毕业的，都是苏格兰人，实际上还都在马丁公司工作过。
麦克唐纳是当时美国载人飞船和超声速战斗机的大供应商；道格拉斯是美国弹道导弹和民航科技的大供应商。
早在年，道格拉斯公司研制的世界巡洋舰号双翼机就在天的时间里，通过多个航程的接续实现了人类首次环球飞行，总航程公里。道格拉斯公司的logo就是一个环绕地球的飞行器。这个logo后来被波音公司所吸纳，就是后话了。
合并后的公司，人称麦道。
麦道公司成立伊始，在航天领域，