火箭重複使用的漫漫長路
photo by SpaceX from Unspalsh
編按：
一家搖搖欲墜、瀕臨破產的新創公司，卻在一次次被斷言不可能後，陸續送獵鷹1號、9號升空，讓飛龍號入軌，甚至回收火箭、讓它再次飛行。今日，SpaceX承擔全球多數入軌載荷，獵鷹9號更是史上發射頻率最高、最可靠的火箭。
《重返大氣層》一書記錄的，正是2008–2020SpaceX的血淚轉折，從險些夭折到登頂全球太空霸主。作者艾瑞克‧伯格是「Ars Technica」資深太空編輯，獲普立茲獎提名，以第一手採訪收錄數十位工程師、高層與NASA官員的口述，Space X如何在破產邊緣，成功發射可回收式火箭，解決業界過往「拋棄式火箭」的經濟與環保問題、撐過兩次致命爆炸，又讓 Demo-2在疫情陰霾中點火升空。本書收錄前所未聞的內部訪談與未曾公開的技術失誤，並榮獲經濟學人年度最佳圖書；一部讀懂馬斯克SpaceX 最瘋狂的工程血淚史！
SpaceX短期在航太領域沒有對手：它完成了過去只有國家級太空計畫才能做到的事。也因為SpaceX，國際太空站終於能進行真正具突破性的太空研究。馬斯克「對目標的絕對專注＋快速試錯改變戰略」的領導方式，帶領SpaceX團隊撐過一場場考驗，最終改寫了人類進入太空的方式，成功開啟了「第二次太空時代」，也開創了無盡的太空商機。
文／《重返大氣層》艾瑞克．伯格 著
在SpaceX出現之前，也有人嘗試讓火箭升空後再返回地面。只是最後都放棄了。美國國防部、NASA，以及美國最頂尖的航太企業，都曾嘗試開發可快速重複使用的火箭。然而在一次次失敗之後，他們最終仍回到了使用一次性推進器的老路。
NASA的嘗試持續得最久。早在一九六○年代末期，阿波羅計畫最後三次登月任務遭到取消時，NASA就已意識到降低太空飛行成本的重要性。即使太空人已成功踏上月球，美國政府仍被土星5號火箭高昂的成本嚇了一跳。以今日幣值計算，每次發射都要耗費數十億美元。為了建立更具永續性的太空運輸體系，NASA將希望寄託在太空梭計畫上。NASA載人航太主管喬治．穆勒（George Mueller）曾表示，太空梭將把每磅酬載送入軌道的成本壓低到二十五美元。他甚至預言一般美國人都能買張票飛上太空。一九六九年，在NASA太空梭研討會上，穆勒更宣稱：「我們將開啟太空探索的全新時代。」
憑藉太空梭，NASA的確打造出了世界上第一種可重複使用的太空飛行器。著名的軌道飛行器能夠降落在長跑道上，並執行數十次飛行任務；兩側高聳的白色固體火箭推進器會從大西洋打撈回收後重新整修；只有巨大的橘色外部燃料箱會在發射過程中被拋棄。一九八一年首度亮相時，太空梭堪稱工程奇蹟。然而，它遠未達成最初設定的宏偉目標。每次飛行後，軌道飛行器都需要進行大量維護。舉例來說，機身外側那兩萬一千片在重返大氣層時能有效阻隔高溫的隔熱磚，每次著陸後都必須逐片仔細檢查。
所有這些工作，都需要數以千計的工程師與技術人員長期投入。而在過去的一百三十五次飛行任務中，挑戰者號（一九八六年）與哥倫比亞號（二○○三年）兩起致命事故，更讓行政程序與安全規範急劇增加，進一步推高成本。等到太空梭計畫於二○一一年結束時，統計結果令人震驚，將一磅酬載送入軌道的成本接近兩萬五千美元。這比NASA當年的樂觀預估高出整整一千倍。換句話說，NASA雖然大致達成了「可重複使用」這項目標，卻沒能實現讓太空飛行真正永續所需的另外兩項關鍵條件——快速與低成本重複使用。
美國下一次大規模挑戰高昂發射成本的計畫，為一九九一年國防部主導的「星際大戰」，其正式名稱為「戰略防禦倡議」。包括科幻作家傑瑞．波奈爾（Jerry Pournelle）在內的一小群支持者，成功說服副總統丹．奎爾（Dan Quayle），認為未來的太空防禦系統可以透過可重複使用的太空載具進行維護。最終，美國空軍資助麥道公司（McDonnell Douglas）打造一種縮小至三分之一比例的原型載具，打算從地面起飛、進入軌道，並以垂直方式返回著陸。這項實驗計畫被命名為「三角快帆號」（Delta Clipper），簡稱DC-X。
一支規模不大的工程團隊迅速展開載具研發工作。這枚火箭由四具RL-10引擎提供動力。僅有一百人的團隊，只花了二十一個月便完成最初版本的DC-X，並於一九九三年夏天完工。DC-X全身塗成白色，高約三十九英尺，外型酷似《週六夜現場》（Saturday Night Live）知名短劇〈尖頭外星族〉（Coneheads）中那些光禿禿的圓錐形腦袋。同年八月，火箭矗立於白沙飛彈試驗場的混凝土發射臺上，七名工作人員擠在附近一輛拖車裡監控飛行。其中包括曾參與阿波羅計畫、後來加入麥道公司的前太空人彼得．康拉德（Pete Conrad）。在眾人監督下，DC-X升空至一百五十英尺高度，橫向移動後，在距離原點三百五十英尺處成功降落。隨著塵埃散去，金字塔造型的DC-X傲然矗立，白色外殼已覆滿黑色煤灰。整趟飛行歷時五十九秒。
然而，在又完成兩次飛行後，計畫便於一九九三年秋天失去美國空軍的支持。隨著冷戰落幕，柯林頓政府終止了星際大戰計畫相關經費。NASA接手填補資金缺口，並最終任命普渡大學出身的年輕工程師丹．鄧巴赫（Dan Dumbacher）負責領導計畫。
鄧巴赫深知未來必須兼顧快速周轉與低成本運作，希望將DC-X兩次飛行之間的整備時間壓縮到僅八小時，而且只動用五十名工作人員完成整備。在NASA主導下，團隊替火箭換裝更輕量化的燃料槽，並將一九九六年七月初設定為快速周轉能力驗證的目標日期。
一九九六年六月七日，超過四百名訪客與貴賓齊聚現場，其中包括NASA局長丹．高丁（Dan Goldin）。當天接近中午時分，DC-X在新墨西哥州升空。火箭一路上升至兩千英尺高空後，順利降落在沙漠中。團隊迅速回收火箭並著手準備第二次飛行，但當天下午，雷暴雲從聖安德烈斯山脈（San Andres Mountains）席捲而來，迫使測試中止。隔天上午，白沙試驗場上空已排定其他單位使用，因此無法飛行。直到六月八日下午，DC-X才再次升空。距離前一次飛行僅二十六小時。這一次，它飛得更高。雖然大部分貴賓早已離開，但成功飛抵兩英里高空的成就絲毫沒有因此遜色。
然而，幾週後，這股歡欣鼓舞的氣氛便煙消雲散。在下一次飛行中，DC-X的一支著陸支架未能正常展開。火箭撞地時，液態氧儲槽瞬間爆炸。DC-X再也沒有飛上天空。
這項計畫最終成了火箭政治角力下的犧牲品。NASA內部許多高層官員的職涯都建立在有翼太空梭之上，因此始終無法真正接受「垂直起飛、垂直降落」的DC-X路線。當後續經費展開競爭時，麥道公司提出的DC-X放大版方案，敗給了洛克希德公司以太空飛機為概念的X-33計畫。
「NASA轉向X-33計畫，是因為我們對一種能夠單級進入軌道、並像飛機一樣滑翔降落的太空飛行器抱持很高期待。」鄧巴赫說。「那是垂直降落技術的終點。」
然而，X-33的命運同樣不美好。它面臨的技術挑戰極其艱鉅。其中最大的難題之一，便是如何製造能夠儲存超低溫液態氫的燃料槽。到了二○○○年，NASA已投入近十億美元，但距離實際飛行仍有漫長的路要走。更雪上加霜的是，NASA同時啟動了另一項名為太空發射倡議的計畫，試圖研發新一代可重複使用火箭技術。也就是說，在二○○一年度預算週期裡，NASA竟同時為三項可重複使用太空發射計畫申請經費：太空梭、X-33，以及一種全新的發射系統。白宮管理及預算局因此大為光火。
這場盛宴很快便告終結。二○○一年二月，NASA取消了X-33計畫。兩年後，哥倫比亞號太空梭結束十六天軌道任務返航時，在重返大氣層途中解體，七名太空人全數罹難。這場災難幾乎宣告太空梭時代進入倒數。接著在二○○四年，NASA又放棄了太空發射倡議。僅僅幾年前，NASA還對低成本、可重複使用太空飛行深信不疑，甚至同時資助三項不同計畫來確保未來。如今，在全球最具權威的太空機構裡，這項技術卻已失去前途。NASA再次回到阿波羅時代的思維，打造龐大、昂貴、一次性的火箭。
就在NASA放棄低成本可重複使用太空飛行之際，馬斯克於二○○二年創立了SpaceX。在他眼中，整個航太產業早已習慣依賴政府經費，不願在沒有補助保證的情況下冒險追求創新。麥道公司原本可以自行延續「三角快帆號」計畫。洛克希德也完全可以繼續推進X-33。只要其中任何一家公司成功讓載具投入飛行，NASA與軍方都會願意支付豐厚報酬購買其服務。但這些傳統承包商早已習慣在一開始就拿到大筆政府合約。
在一段時間裡，這套模式確實行得通。接下來將近二十年間，被波音併購的麥道公司以及洛克希德公司，依舊持續享受政府太空合約帶來的豐厚利益。直到SpaceX成立，低成本、可重複使用的獵鷹9號橫空出世，把原本形同壟斷的市場一口吞掉。