SpaceX 正在尝试实现航天器工程领域的一项宏伟壮举：让其 Falcon 9-R 火箭的第一级在海上浮动平台上着陆。通常，这一级会最终沉入海底。如果成功，SpaceX 将撼动火箭发射市场，使发射成本降低数百万美元。
无论结果如何，此次发射都标志着火箭科学一系列非凡成就的集大成。它体现了火箭发动机重新启动、姿态控制、制导与导航、热防护，当然还有着陆装置部署方面的新进展。迄今为止，SpaceX 在业内的表现极为出色。如果其他商业航天服务提供商尚未意识到竞争的到来，此次发射或许会迫使他们予以重视。
凡是升空的，终将落下
如今的火箭 都是一次性奇迹。它们在几分钟内烧尽燃料，随后溅落在地球海洋中，而此时已将有效载荷送入正确轨道。这种做法浪费资源，因此科学家一直梦想着建造可重复使用的运载飞行器。
火箭运载器领域的终极目标，是一种称为单级入轨（SSTO）飞行器的概念。其构想是使用可重复使用运载飞行器（RLV），使其能够将有效载荷送入轨道、重新进入地球大气层并着陆，随后即可加注燃料。经过短暂周转后，这一过程便可重复进行。
尽管英国正在朝这一目标迈出一些步伐，例如为 Skylon 单级入轨飞行器研发 SABRE 火箭发动机，但要以可靠且合理的成本实现这一构想，在材料和发动机技术方面仍面临挑战。SABRE 发动机制造商提出，将至少部分燃烧所需的氧化剂从大气中获取，以跨越能量门槛，并在吸气式发动机与火箭供给组合之间切换。
现实是，依靠单一飞行器和纯火箭发动机实现入轨仍遥不可及；在这种方式下，所有燃烧所需的燃料和氧化剂都储存在飞行器上。即使推进剂质量占整架飞行器重量的 90%，一次性运载火箭仍必须在推进剂、支撑飞行器和有效载荷的质量之间做到极其精确的平衡。这意味着，最终进入轨道的有效载荷质量通常不超过运载火箭初始重量的 2% 至 4%。
目前，实现入轨的唯一办法，是随着运载火箭燃料逐渐耗尽，剥离支撑结构和燃料箱中不再需要的质量，从而形成多级火箭。各级可以像 SpaceX 的 Falcon 9-R 火箭那样串联、上下堆叠，也可以像 NASA 的航天飞机那样并联。
唯一的先例
NASA 的航天飞机曾尝试打造一种部分可重复使用的运载器：轨道飞行器重新进入大气层并着陆，固体火箭助推器则通过降落伞回收。然而，项目持续发生的巨额成本，以及挑战者号和哥伦比亚号航天飞机事故造成的 14 名宇航员遇难， 凸显了实现真正可靠的重复使用 有多么困难。
我们竟宁愿把人类科学与工程最精良、造价最高的一些成果丢入海底，这似乎荒唐至极。然而，鉴于种种限制，各国政府和机构似乎无法考虑将它们回收并重复利用这项技术。因此，在过去 50 年里，一次性运载火箭（ELV）一直是商业发射行业的主力。
SpaceX 迄今的历程并非一帆风顺。此次发射是其第三次尝试测试这项技术。前两次发射尝试均因 临近发射时出现故障而取消。
即使 SpaceX 成功，也仍需证明这项技术在经济上可行，能够替代一次性运载火箭。为此，它需要避免航天飞机项目曾饱受困扰的漫长且昂贵的翻修工作。
这并非易事。可重复使用意味着 Falcon 9-R 内部搭载了更复杂的系统，也增加了质量，从而减少总有效载荷并降低性能。
然而，SpaceX 并不畏惧挑战，正以惊人的速度推进一系列成就。SpaceX 从概念走向现实的速度之快，几乎没给其他商业参与者留下时间去评估它对自身商业计划的影响，更不用说作出应对了。
本文与 The Conversation合作发布。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。
掌握论坛：议程最新动态， 订阅我们的每周通讯。
作者：Grubisic 博士是航天器先进推进系统研发与测试领域的专家。
图片：SpaceX 将执行国际空间站货物补给任务的 Falcon 9 火箭，在一次发射尝试取消后停放在 40 号发射台。2015 年 1 月 6 日，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地。路透社/Scott Audette。
