上周美國公司Rocket Lab運送衛星上太空，首次嘗試了一直有別於SpaceX獵鷹9號（Falcon 9）火箭垂直降落的回收方式，以直升機在半空捕捉推進器。到底這間公司為什麼要用這種手法？而這公司以外，如何回收火箭也是不少業者或國家正在攻堅的技術難題，我們距離能夠完全回收火箭，開啟下一個太空時代，還有多遠？

經過近三年的準備，小型衛星發射公司Rocket Lab上周二試驗一種新的火箭回收方式。過往，Rocket Lab已經在三次發射中證明了其推進器能夠安全返回地球，墜入海中再回收。這次，在新西蘭海岸附近南太平洋上空，一輛Sikorsky S-92直升機在靜候時機，捕捉掉下來的推進器。

完成99%目標

上周Rocket Lab 從新西蘭瑪希亞半島發射了兩節組成的火箭Electron。在大約80公里高空，燃料耗盡的火箭第一節推進器完成任務，在隔熱物料保護下墜回地球。至於火箭第二節，在小型引擎Curie推動下，成功把34個衛星送進離地球約500公里的軌道，之後兩者均在墜回大氣層時燃燒殆盡。

在火箭發射約7分40秒後，本來以接近音速7倍、時速逾8,300公里墜回地球的推進器，經大氣層減速至約音速兩倍。那時，推進器打開降落傘，逐漸減速至僅時速約36公里。這樣，直升機才得以接近推進器，然後看準位置和時機，從直升機底部垂下一條有鈎的45米長索，最終成功勾住降落傘。

然而，直播中可以聽到工程師由歡呼迅即轉為嘆息。直升機雖然一度捕獲火箭推進器，但不久機師決定鬆繩，將推進器墜入海中再回收。這不完全是Rocket lab想要的結果，他們本來打算直升機可以把推進器直接運到駁船或陸地上。

Rocket Lab行政總裁Peter Beck說，Sikorsky S-92直升機可吊重5,000公斤，而Eletron火箭推進器重逾1,000公斤，為保安全而在重量上預留得較寬鬆。公司發言人解釋，當時機師因為感受到與過往捕獲測試時「不同的負重特徵」，因而決定鬆開推進器。不過Beck仍對是次測試滿意：「我們今天實現了99%目標；剩餘的1%是因為機師不喜歡那捕捉時的感覺，所以將那節火箭鬆開了。」

目前，只有SpaceX能夠成功發射火箭到軌道後，部份回收再重新發射。獵鷹9號火箭的推進器在與火箭第二節分離後，能夠利用預留的推進燃料，伸出腳架，垂直降落到海上或陸地的平台。

據Beck解釋，Rocket Lab之所以用直升機回收，主要原因是公司與SpaceX的商業定位不同。相對於SpaceX的大型負載量火箭，Rocket Lab專攻小型衛星市場。由於Electron火箭細小得多，「光是要成功完成發射任務就必須用盡所有燃料」，因而無法仿效SpaceX的回收方法。

於是，Rocket Lab除了在推進器上使用了隔熱板，還在火箭推進器裝上一組推力器，可以在它墜落時噴出冷凍氣體來修正路徑，再配合降落傘和直升機回收。按照計劃，推進器應毋須墜入海中，在空中回收可避免海水腐蝕和降落時的撞擊損傷。

「自己的獵鷹9號」

之所以要研製可重用火箭，不外乎是降低生產和發射成本，以及縮減每次火箭發射之間所需時間，從而開拓更多太空科研，滿足成長中的低地軌道衛星發射市場。Beck說，從材料和人力成本而言，火前的第一節推進器佔整枝火箭成本的80%；而租用直升機回收則只需每小時4,000至5,000 美元左右：「回收火箭可以節省大量時間，不必從頭開始建造一枝全新的火箭，所以顯然能夠節約成本。」另外，它正建造一枝較大型的火箭Neutron，或會採用類似獵鷹9號的回收方式。

種種優點和潛在商機下，不論使用哪種回收方式，Beck認為可重使複使用已經是火箭的必然標準：「現在若不是開發可重複使用的火箭，最終的產品都只會陷入死胡同，這很明顯是從研發第一天開始就採用的方針。」

所以Rocket Lab是次試驗正是一個全球火箭研發趨勢的縮影。愈來愈多太空業者或政府正在仿效和追趕SpaceX，研製至少可部份回收重用的火箭。貝索斯（Jeff Bezos）創辧的Blue Origin在2015年已率先利用次軌道火箭New Shepard展示了垂直降落回收技術，現正研發推進器可回收重用25次的軌道級火箭New Glenn。

在中國，中國運載火箭技術研究院研製的長征八號運載火箭也以垂直起降的發射回收方向研發。它在2020年12月成功試飛時，是國內首次應用了發動機推力調節技術，有助實現火箭重複使用。一些民企也取得初步成果，江蘇深藍航天的星雲—M1號火箭上周也完成了一公里級垂直起降回收試驗。據《中國航天報》指出，該公司在推進劑上使用了與SpaceX獵鷹火箭系列Merlin引擎相同的技術方向，令推力平滑和穩定，引擎的電動泵供應技術則與Rocket Lab Electron火箭的Rutherford引擎技術屬相同體制。其他研發中的公司還有翎客航天、星際榮耀、星河動力、天兵科技等。

去年11月底，《日本經濟新聞》透露，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）計劃與近30間公司及大學等合作，包括三菱重工、全日空、日本飛行機、Canon IT Solutions、名古屋大學、千葉工大等，研製可重用火箭。該計劃的目標是在2026年研製出雛型，2030年試射，而且屆時發射成本將少於目前四分之一。

法國財政部長Bruno Le Maire也透露，歐洲航天企業ArianeGroup也將研製可重用火箭，「必須能夠在2026年投入使用」：「歐洲將首次有可重複使用的發射器。換言之，我們將有自己的SpaceX、自己的獵鷹9號。」

不只1%尚未攻克

不過，若要進一步降低成本和增加發射頻率，恐怕不能只回收火箭第一節推進器，而要整枝火箭回收重用。現時只能寄望SpaceX研發中的下一代火箭發射系統Starship。它上方是同樣稱為Starship的太空船，下方是裝有約30個Raptors引擎的推進器Super Heavy。Starship應可自行以引擎垂直着陸地球；至於分離後的Super Heavy，SpaceX會以行政總裁馬斯克（Elon Musk）稱為「筷子」的巨型機械臂捕捉回收。

SpaceX在本年2月交代Starship最新進度的發布會上說，目標是上半截的Starship可以每六至八小時重新發射一次；至於下方的第一節推進器，由於飛行時間大約只有六分鐘，而地面補充燃料約需30分鐘，所以理應每隔一小時就可再用。成本上，現時獵鷹9號每次發射成本約6,200萬美元，馬斯克在沒有多作解釋下聲稱，Starship應可降至每次1,000萬美元以下。

去年另有兩間美國業者加入戰團。Relativity Space宣布研發可完整重用的Terran-R火箭，將以3D打印製成，尺寸上與獵鷹9號相若但負載量更多。行政總裁Tim Ellis聲稱，利用3D打印，可以製成更多新奇和傳統技術難以生產的材料，令火箭第一和第二節都有更佳重用效果。據科技媒體Ars Technica引述消息人士，Blue Origin秘密展開Project Jarvis計劃，專門研究如何回收New Glenn火箭第二節以進一步降低成本，並希望與SpaceX的Starship看齊。

然而，目前這些公司和國家仍面對艱鉅的技術挑戰。先是Rocket Lab，行政總裁Beck在上周發射後向傳媒說，公司需要重回測試階段。他們計劃建造一個更仔細的火箭推進器複製品用於模擬測試，令直升機機師更加掌握回收時的物理作用。短期內他們會先專注於另一項月球衛星射任務，或許要幾個月後才能再次挑戰是次未完成的那「1%」。

即使空中捕獲技術成功，也不代表Rocket Lab可以百分百回收推進器。因應額外小型推進器、降落傘和隔熱裝置增加了重量，Electron火箭約250公斤的有效載荷，會因而減少10%至15%。此外，可否利用直升機回收，也受Electron發射到軌道的路徑影響。Beck坦言：「有些軌迹不太適合回收，因此火箭不會100%每次重用。可能有50%或以上任務能夠做到。」

在中國，中國航天科技集團一院首席總設計師姜杰向人民網承認，目前火箭回收相關技術上仍有多方面需要攻關：「當中技術難點主要包括發動機多次啟動技術、發動機推力調節技術、着陸緩衝機構的研製、高精度制導和控制技術、複雜氣動外形下的熱環境預示、大面積熱防護技術等。」

至於走得最前的SpaceX，馬斯克在2月承認，技術上還未能證明Starship能具備他們定立的回收重用能力。例如他透露，Raptor引擎產生的熱力問題還未解決：「我們唯一留意到的問題是燃燒室會熔化。這應該是最後剩下的挑戰，而我們已經非常接近解決這個問題。」Starship系統首個地球軌道試飛日期仍然未確定，馬斯克曾預計最快本月內可望發射。其他業者的進度更為落後，Relativity Space預計2024年才首次軌道試飛；Blue Origin至今仍未公開承認Project Jarvis計劃，遑論預定測試日期。

由此可以估計，短期內，火箭回收重用技術上仍然流於火箭第一節推進器回收重用，不過逐漸不再由SpaceX完全壟斷，會有更多業者和國家能夠掌握這技術，促進本地的科研和商業太空市場；若要完全回收火箭重用，似乎SpaceX還是最大希望。