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概述 一般来说，地面运输时刻表可以预计，能够适应不同的气候条件，预订货位不必提前太多，很少毁坏货物。对于航天发射服务而言，这些很难实现。由于技术问题或天器问题，交付常常延期，发射任务需要题2至4年预订，大型火箭的可靠性为82%～99%。显然，这种状况必须改变。 经过四十多年的努力，对美国航天工业来说，进入太空依然是最困难的挑战。虽然这是一个国际性的问题，本书只分析美国运载火箭的发展，对其他国家的运载火箭可能有所涉及，但不做详细讨论。大家都知道，航天运输的难度特别大，不能用地面运输标准来衡量。但是，如果太空幻想家和企业家想要实施宏大的计划，必须突破现有技术的限制。遗憾的是，自上世纪五十年代直至世纪末，航天发射的成本一直居高不下，其技术在航天领域发展最慢。每一个从事航天活动的人，都有责任解决这个关键技术问题。进入太空对于民用航天、商业航天和军事航天的每个领域均有巨大影响，是顶级优先问题。 相信能够实现廉价、可靠、安全、便捷的航天飞行，一直是美国航天愿景的关键内容。实际上，从二十世纪初开始，热心于太空探索的人们就把研制便捷的地球轨道往返飞行器作为奋斗的核心。懂技术的人知道，一旦人类进入200英里以上的地球轨道，就基本摆脱了地球大气和引力的影响，通往深空的旅程差不多完成了一半。 运载火箭的发展可以分为6个时期，每个时期有自己的特殊的技术挑战、政治和经济环境、优先设计要素、任务目标、经验和教训（见表1）。下面按照这种演变过程讨论迄今为止影响技术创新进程的关键问题。
冷战之初 美国运载火箭能力的建立，主要源于与苏联冷战对抗的急迫需要。发射科学卫星，研制和部署弹道导弹及天基情报收集能力，对确保美国国家安全至关重要。太空时代的前八年，美国航天部门坚持执行政府政策，依据国家最高优先级别运行和发展。之后，重点是研制和评估洲际弹道导弹(ICBM)，并在此基础上发展运载火箭。从西海岸范登堡空军基地发射的火箭执行侦察任务，从东海岸发射的火箭执行太空探索任务。最初的弹道导弹研制、试验和评估也促进了跟踪、遥测和精确照相能力的发展。 美国最初研制的主力运载火箭，宇宙神、雷神／德尔它和大力神火箭，到2002年仍然在使用。这种情形令人难以置信，大量进入太空的任务依靠的就是由三种弹道导弹衍生的运载火箭。虽然这三个系列的运载火箭自从首次发射之后经历过大量的改进，发展出多种不同的型号，但是都没有摆脱最初发射核弹头的技术渊源。 宇宙神导弹是美国的第一种洲际弹道导弹，1955年6月11日试飞，1959年服役。雷神中程弹道导弹也是上世纪50年代研制的，由它发展出来的德尔它运载火箭成为美国早期火箭的主力。大力神洲际弹道导弹1959年紧随宇宙神和雷神之后进入空军服役，到上世纪80年代末一直处于战备状态。 上述三种火箭作为国防装备，兼具国防装备的优势和劣势。国防要求促使生产商重视进度和作战使用可靠性，而把发射成本放在第二位，其结果是这些运载火箭的研制和使用成本非常高。 艾森豪威尔政府为研制第一代运载火箭投入了大量的资源。到1957财年，政府已投入118亿美元（1957年值）研制导弹，而且他被告知，“这些研制项目从1957财年到1963财年还要361亿美元，总费用达470亿美元。” 按2000年美元币值计算，这笔支出相当于2300亿美元。如今，只要十分之一的投入，运载火箭技术就可能取得巨大的进步。
冷战高峰 1957年至1965年，冷战处于高峰期，也是太空竞赛的大时代。世界两大国家阵容在意识形态和国家忠诚方面展开广泛的竞争，太空探索成为竞赛的一个主要领域。1957年10月4日，作为国际地球物理年的一项重大成果，苏联成功发射第一颗人造地球卫星，在竞争中赢得先手。此后，苏联人的优势一直保持到60年代中期，而美国人在航天活动中显得力不从心，特别是1957年12月6日，先锋火箭在有国家爱电视转播的情况下发射失败。 50年代后期和60年代初期，苏联在航天方面的显著成就极大地增强了国内的自豪感，二战结束后这种现象前所未有，以后在苏联历史上也没有在出现过。对于这种高水准的成功，赫鲁晓夫政府的宣传利用也达到了极致。其结果是，苏联政府高度重视航天项目，苏联火箭人接二连三创造出令人眩目的成功，见图3。 在太空竞赛的前八年，好像苏联在航天上做的每件事情都是正确的，美国则显得软弱无力，没有苏联“工人阶级国家”指令性经济所能集聚的力量。结果，美国开始动员力量追赶冷战对手。伴随几次柏林危机（封锁、空运和柏林墙）和其它的竞争焦点事件，卫星发射在加剧冷战对抗的同时有坚定了冷战双方的决心。 毫无疑问，尽管美国在航天上也取得了真正的成就，在前几年苏联一直占据优势，最少在公众看来是这样的。造成这种局面的主要原因是火箭技术，科罗廖夫研制的R-7大型洲际弹道导弹为进入太空奠定了基础，帮助苏联在1957年至1965年不断夺得航天史上的“第一”。 这个时期，美国在运载火箭技术上努力追赶苏联，同样也是以五十年代的弹道导弹技术为基础。例如，宇宙神与阿金纳上面级组合，用于发射一些早期月球／火星探测器（水手号、徘徊者号）；1962年首飞的宇宙神-半人马座及其改进型号，发射美国航宇局的很多太空探测器和军方的应用卫星。 美国第一个载人航天项目,水星计划,也使用改进型宇宙神火箭，至少后期的飞行是这样的。对这种决策并非没有分歧。把宇宙神火箭与水星组合到一起，需要解决很多技术难题，最麻烦的是航宇局工程师们对宇宙神火箭是否适应载人任务存在分歧。 到1961年9月宇宙神火箭与水星飞船成功完成首次轨道飞行试验时，绝大多数问题都已解决。11月29日进行最后一次试飞，这次飞船装着黑猩猩（Enos）,飞船绕地球两圈后成功在海上溅落返回。直到1962年2月20日，航宇局才做好载人轨道飞行的准备，这天约翰·格伦乘坐友谊7号水星飞船绕地球飞行三圈，成为第一位绕地球飞行的美国人。这次飞行遇到一些问题。由于自动驾驶出现故障，格伦依靠手动操作完成最后两圈的部分飞行；可能因为防热层松动，再入过程中正常抛弃的反推火箭包附到了飞船上。 雷神弹道导弹也成了美国运载火箭的主力。从1960年到1982年，雷神火箭和它的改进型德尔它火箭总共发展成34种不同的型号。类似地，大力神洲际弹道导弹也改型为运载火箭，发射过很多科学卫星、军事卫星和少量的商业卫星。 这一时期，美国还在研制一种全新的运载火箭，土星号火箭。1960年，航宇局接管了冯·布劳恩领导的陆军弹道导弹局，相应接受了研制土星号运载火箭的任务。此时冯·布劳恩的团队正在努力研制土星I号火箭，该火箭在丘比特的储箱上安装8台红石助推发动机。火箭一子级使用液氧／煤油（LOX／RP-1）推进剂，8台H-1发动机总推力达到1296000英磅。二子级采用液氧／液氢推进剂，可以有更大的推重比。液氧／液氢推进剂挥发性很强，易燃易爆，研制工作比较困难，但是使用6台RL-10发动机能够增加90000英磅推力。土星I号火箭只作为阿波罗计划的研试火箭，在1961年10月至1965年7月期间做了10次飞行试验。前4次只试验一子级，第5次开始使用二子级，将科研卫星和阿波罗试验舱送入轨道。随着土星1B火箭的成熟，土星系列火箭的研制进入下一阶段，开始研制巨大的土星V号登月火箭。
表2 苏联在航天史上的“第一”（1957-1965）
冷战对抗减弱 1965年前后，刺激太空竞赛的的冷战对抗开始衰减。双子星飞船成功飞行之后，特别是阿波罗飞行期间（1968-1972年），美国在火箭技术方面已明显取得世界领先地位。除了与苏联的对抗外，美国遇到了其它的问题，特别是越南战争，因而太空竞赛的热情相应减弱。 现有技术与成功登月所需的技术基础存在差距，双子星计划被当成填补这种技术差距的桥梁。航宇局通过地面试验和培训解决了大部分技术问题，但有些问题需要在太空实践，比较紧迫的问题分三类：一是太空定位、机动、交会对接；二是宇航员舱外工作能力，三是采集宇航员长时间太空飞行过程中的生理数据。 为了在阿波罗飞行之前获取上述三方面问题的试验数据，航宇局提出了双子星计划。双子星飞船乘坐两名宇航员，用新研制的大力神2火箭发射。大力神2遇到不少技术难题，先是纵向耦合振动（又称POGO效应），保持推进剂稳定流动和火箭的稳定控制，花了很长时间；后来储箱泄漏，必须重新设计；用于交会对接的阿金纳目标飞行器也有很多延迟。为解决这些技术问题，预计3.5亿美元的计划经费增加到10亿美元。航宇局成功地解决了延期超支问题，满足了阿波罗登月的要求。 1963年底，虽然花费很大，大力神2火箭的技术难题基本得以解决，做好了发射准备。经过两次不载人的轨道试飞后，1965年3月23日首次执行载人飞行任务，指令长是维吉尔·格里森（Virgil I. 'Gus'Grissom）,另一名宇航员是约翰·杨（JohnW. Young）。1965年6月3日，詹姆斯·麦克迪维特和爱德华·怀特执行第二次飞行任务，飞行4天，怀特完成美国人的首次舱外活动（太空行走）。至1966年11月，又完成另外8次载人飞行。 如果双子星计划还不足以表明美国已经赢了太空竞赛，阿波罗计划肯定可以。使用土星IB火箭，发动机推力更大，一子级推力达到1640000磅，两级火箭能把62000磅有效载荷送入地球轨道。1966年2月26日首次试飞，通过亚轨道飞行测试助推火箭和阿波罗飞船，紧接着又做了另外两次试飞。1968年10月11-22日，土星IB火箭第一次执行载人发射（阿波罗7号），三名宇航员（Walter Schirra, Donn F. Eisele,和 R. Walter Cunningham）绕地球飞行163圈。土星IB火箭的另外4次发射是在登月之后，执行ASTP和天空实验室计划。 土星V火箭集之前几个火箭研制计划的成果之大成，是土星系列的最后一个型号。土星V是三级火箭，363英尺高，能够把宇航员送上月球并安全返回。一子级用5台洛克达因公司研制的F-1发动机，推力7500000磅，这些发动机是登月计划最重要的技术成就。为了让发动机能够承受极度的高温和冲击，需要研制新的合金和多种制造工艺。1965年4月16日，一子级的首次静态点火试验在阿拉巴马州进行，雷鸣般的响声让很多人觉得肯尼迪总统的登月目标已经有了技术把握，有些人认为这些发动机像是技术魔法，有的工程师把火箭发动机形容是缺少理性原则的“黑色艺术”。 二子级给航宇局工程师们形成巨大的挑战，差点使登月目标延迟。二子级使用5台液氧液氢发动机，推力1000000磅，研制进度一直拖后，需要持续关注并增加经费。相比之下，一子级和三子级的研制进程比较平稳，三子级基本上是土星 IB火箭的二子级，技术难点很少。 阿波罗计划获得巨大的成功，但航宇局仍然决定终止土星V火箭的生产。阿波罗计划之后，没有大规模的太空探索项目，庞大的火箭没有新的任务。航宇局最初订购了15枚火箭，1968年初，航宇局已经在考虑是否需要更多的土星V火箭，决定暂不提前订购相关部件。1971年至1972年期间，为了争取获准研制航天飞机，航宇局被迫二选一，不可能既保留土星V火箭又研制新的航天运输系统，航宇局只好停止生产土星系列火箭。 以此同时，美国政府不断资助宇宙神、大力神和德尔它火箭的持续改进和完善，但他们发射的大部分卫星都是政府运营的，突破第一代运载火箭限制一直是开放太空过程中的梦想。如同早期发展螺旋桨式飞机，美国近四十年不断资助运载火箭的改进工作，但没有实现重大的技术突破。美国现在的一次使用的运载火箭非常高效、成熟，但依然没有摆脱第一代洲际弹道导弹的制约。经过四十多年，进入太空仍旧是难题。
例行进入太空的愿景 1972年，随着阿波罗计划的结束，尼克松总统同意研制航天飞机，一种最大限度重复使用的运载器，追求长期愿景：例行、可靠、低成本进入太空。这一决策表明美国对进入太空的关注焦点发生了转变：希望不再依赖在洲际弹道导弹基础上研制的一次使用的运载火箭。从1972年到1985年，美国优先发展部分重复使用的航天飞机，把航天飞机作为发射军事卫星、科学卫星、应用卫星、和商业卫星的主要运载工具。 航宇局1972年提出把部分重复使用的航天飞机作为降低发射费用的手段，入轨有效载荷从每磅一千美元降到一百美元。航宇局官员声称，为了积极开展太空探索，“需要有效的地球轨道往返运输能力”。有些官员甚至说，土星V一类的一次使用的运载火箭如同在铁路运输中，每次都扔掉机车和车皮，而航天飞机则可以给美国提供低成本例行进入太空的能力。 有的航天分析人员计算了大力神IIIC和土星IB的成本。大力神IIIC的采购、发射费用2千4百万美元，近地轨道运载能力23000磅，每磅有效载荷的发射费用约1000美元；土星IB每发5千5百万美元，运载能力37000磅，每磅1500美元。以这种数据为基准，航宇局希望把发射费用降低到它们十分之一。 航天飞机成为“通过重复使用的火箭运输系统实现低成本进入太空”的尝试。航宇局时任副局长（George M. Low）1970年1月27日向航宇局领导层解释说：“我认为航天飞机计划其实只有一个目标，就是提供低成本经济型航天运输系统。为实现这个目标，必须同时降低研制成本和降低使用成本。”“低成本经济型”航天运输成为航宇局实施该计划的准则，同时。也是对公众舆论的回应，当时公众普遍认为航天飞行的费用过于昂贵。 航宇局最初打算通过规模效应实现航天飞机的经济效益，按1984年的估算每年应该飞行24次。事实证明这个目标不可能实现。想要降低使用成本，也许航宇局必须在计划的初期投入更多经费发展省钱的技术。戴尔·迈耶（Dale D. Myers）曾在挑战者号事故之后担任航宇局副局长，他认为，“如果设计团队象重视研制工作一样重视操作使用”，或许能够降低飞行使用成本。 虽然航宇局坚持以“低，成本经济型”进入太空为目标，航天飞机计划最终却陷入窘迫的结局。期望越高，失望越大，航天飞机既不“低成本”，也没有实现“例行进入太空”，能力和成本紧随土星V火箭之后。航天飞机53000磅入轨有效载荷，每次发射费用4.45亿美元，这种巨额发射费用只有政府才能够承担。到1986年1月，航天飞机总共发射24次，不足计划初期航宇局预计的每年发射次数。虽说航天飞机大部分可以重复使用，但由于结构复杂，加上航天飞行环境严酷，两次发射之间的维修时间长达数月，而不是设想的几天。 就单次发射费用和飞行次数而言，航天飞机没有实现预期的目标。因此，上世纪末有一种舆论，认为航天飞机是成功与失败的复合体。一方面，航天飞机异常复杂，世界上只有美国能够制造并使用，是一项充满吸引力并且取得巨大成功的计划。另一方面，就其带有的炫耀成分而言，航天飞机基本上是阿波罗的延续，飞行次数和科研实验次数远未达到航宇局公开预计的目标。 航天飞机计划是降低发射成本一次非常重要的尝试，最终不算成功。美国的宇宙神、大力神和德尔它等主要运载火箭使用逐步改进的技术，不断完善、成熟，承担了更多的发射任务。遗憾的是，这种技术途径也没能明显降低发射费用，现有火箭的发射费用全都不低于每磅3千美元，如表3所示。很明显，这种价位是大规模开展太空活动无法接受的。商业载人航天飞行（如：在地球轨道或全世纪往返运输乘客的空天飞机）常常被认为是最终目标，但是这种价格不具备商业可行性。举个例子，一个人加上行李总共220磅，他的票价就高达733260美元，实在太贵。 表3 美国火箭的发射成本（1993财年，美元）
按照既定的国家战略,国防部和航宇局准备在用完剩余的一次使用的运载火箭之后, 就只使用航天飞机, 这是美国进入太空策略的一个重大转变。除了提前关闭这些运载火箭的生产线，火箭的发射设施及地面处理设施也会萎缩，发展重心转向仅仅支撑航天飞机和弹道导弹的基础设施。 1972年至1985年期间，航宇局继续发射美国商业用户和国外用户的通信卫星、国外科学卫星。随着美国民用和军事发射次数减少，通信卫星的发射相对增加，1982年发射了9次。在过去的三十年时间内，商业发射占美国航天发射总数地22%。1981年航天飞机首次飞行后，里根政府立即宣布航天飞机投入使用，授权航宇局承揽商业卫星发射订单。1982年，航天飞机首次发射商业卫星，到1985年通过四次飞行共发射11颗商业卫星，同一时期宇宙神∕半人马座只发射3颗商业卫星。 尽管美国政府要求逐步淘汰一次使用的运载火箭，火箭制造商和一些用户仍然希望继续生产，直接与航天飞机和欧洲新投入使用的阿里安运载火箭竞争。但是，美国政府的策略是维持航天飞机的低价格，欧洲人则支持阿里安保持更低的价格，这是美国一次使用的运载火箭取得商业成功的最大障碍。在犹豫不决之中，里根总统1984年2月签署了名为《一次使用的运载火箭商业活动》的12465号行政令，国会通过了《1984年商业航天发射法案》，确定由运输部管理非政府航天发射的许可及法规制度，形成了现行法规的基本架构。 《1984年商业航天发射法案》指出，考虑到国家政策是依靠航天飞机作为进入太空的主要手段，政府不在需要一次使用的运载火箭。该法案确立了美国公司利用或拥有一次使用的运载火箭相关设施的条件和机制，这些设施必须是“多余的或者公共项目不需要的”。空军和航宇局提供发射基地及靶场服务也类似对待，是“公共使用不再需要的”。 上述法案很不完善。里根政府初期，航天飞机肩负着发射所有政府有效载荷和很多商业卫星的重任，但不具备满足这种需求的能力。即使有良好的意愿和富有吸引力的定价政策，也是力不从心。航天飞机从一开始就是各方综合权衡的产物，人们要求它“为所有人做所有事”。研发型空天飞行器、实用型太空卡车、商业运载器、科研平台，这些需求是相互独立甚至互相排斥的，最终结果是使航天飞机难以完美地满足任何一项需求。 由于多个目标的相互排斥性，加上最初的重复使用技术的不完善，对航天飞机的期望很快就变成失望甚至幻灭。到1985年，航宇局看出了航天飞机的能力局限，明白不可能实现自己当初的承诺，但仍然坚持认为它是美国最好的运载器。当然，随着使用时间的推移，这种立场越来越站不住脚。
确保进入太空 1986年1月28日挑战者号航天飞机事故改变了一切。到1986年年中，美国所有航天发射系统都遭遇失败。大力神34D 毁坏范登堡空军基地的两个发射台，德尔它和宇宙神火箭在卡拉维拉尔角先后失败，美国遇到的不是确保进入太空的问题，而是丧失进入太空能力的问题。这一系列失败引发了对美国进入太空能力的可靠性及恢复力的严重关注，反过来又引起美国未来进入太空政策的重大转变。 挑战者号事故加剧了关于使用航天飞机发射所有美国卫星的争议。1986年8月，里根总统宣布航天飞机不再发射任何商业卫星，1986年12月发布254号国家安全决策指令“美国航天发射战略”。原定由航天飞机发射的44颗商业卫星和外国卫星被迫寻找别的火箭发射。 之后的3年，美国政府开始重启一次使用的运载火箭生产线，为了适应发射工具的改变还要修改卫星的设计。重新启用一次使用的运载火箭，政府还要额外投资解决前几年准备让火箭退役所带来的问题。图5表明，几年来美国商业发射实际上处于停滞状态，1986年到1989年只有3次商业卫星发射，占美国发射总数的6%。 在此期间，有两件事情促成美国商业发射业的再次兴起。第一件是国防部保证采购大量的一次使用的运载火箭。国防部决定搭配使用航天飞机和一次使用的运载火箭，保持进入太空的能力。这样就用政府资金重新开启了休眠状态的一次使用的运载火箭生产线，并且帮助美国公司形成规模效应，有利于和阿里安公司竞争。第二件是国会于1988年修订了《商业航天发射法案》，制订了新的保险要求，其作用是限制美国公司在发射失败导致政府资产或第三方资产受到损害时所要承担的责任。修订后的法案还针对政府挤占商业发射靶场的情况制订了保护措施。 1989年，《商业航天发射法案》通过将近5年后，美国首次进行商业航天发射。此后，美国政府不再发射商业卫星，而由商业发射公司发射。多数情况下，同样的公司也作为政府承包商给国防部和航宇局提供发射服务。 一次使用的运载火箭的改进工作很快启动。比如，宇宙神系列的最新型号宇宙神IIAS于1993年开始发射，近地轨道运载能力19000磅，合同价格1.05亿美元，每磅5500美元；德尔它II三级火箭1989年投入使用，运载能力3190—4060磅，每发4千5百万至5千万美元，每磅大约12000美元；大力神IV是当时运载能力最大的火箭，能把39000磅有效载荷送入近地轨道，每次发射2.4亿美元。 进入太空的费用仍然居高不下。发射4000磅以下的卫星的火箭，每发2千5百万美元，每磅约10000美元。土星V 是最大的火箭，能把262000磅有效载荷送入轨道，每次发射的费用高达11.3亿美元（2000年值4.55亿美元）。这些只是基本的发射费用，对于卫星应用而言，还有其他费用，包括卫星研制、indemnification、轨道定位、地面支持、运输、操作，等等。 太空飞行打一开始就是成本高昂的活动，最便宜的火箭每磅入轨有效载荷也要1万美元。尽管尝试发展运载火箭技术，太空飞行一直只是政府部门、少量通信卫星公司和其它特殊用户的领地。
商业航天启程 上世纪90年代初，政府航天发射的组织管理体系出现重大变化。起初，运载火箭的采办、研制、发射操作，发射基地及靶场的操作、维护、改造和现代化工作都由空军系统司令部的采办和研发部门负责。1990年，空军系统司令部解散，空军把进入太空的职责归属于空军太空司令部的作战部门。正当空军把航天发射由“研发”部门转到“作战”部门时，美国商业航天发射业进入了增长扩张时期。从1990年到1994年，商业发射恢复到挑战者号事故之前的水平，大约占美国航天发射地20%。之后几年，美国商业发射服务商与阿里安公司（为欧空局制造阿里安火箭的欧洲财团）展开激烈竞争，争夺商业发射业的领导地位。因发射失败而搁置的商业卫星逐渐发射完毕，从1990年到1994年平均每年有12次发射。 克林顿政府认为航天运输对于美国国家安全、民用和商业航天来说至关重要，1994年发布《国家航天运输政策》，其中关键的特点是明确了职责划分：国防部负责一次使用的运载火箭，航宇局负责可重复使用运载器的技术研发和验证。按政策指令，这两个部门将把包括州政府在内的美国商业航天界作为合作伙伴、参与者和投资者。《国家航天运输政策》促成了国防部演进型一次使用的运载火箭（EELV）计划和航宇局X系列可重复使用运载器技术验证计划的诞生。 EELV计划的要点是研制先进的宇宙神和德尔它运载火箭，逐步淘汰大力神火箭。从1995年开始，美国政府逐渐减少大力神火箭的库存量。该火箭发射价格太高，没有商业竞争力，作为主要用户的国防部预计用它发射的卫星越来越少。在1995财年的国防部拨款法案中，国会认为“大力神IV过于昂贵”，要求“在完成已有合同后终止大力神IV计划”，已有合同到2003年共有40次发射（1发备份）。2005年之前，由EELV计划中的德尔它IV替代大力神火箭。 另外，航宇局制订了一套新的方案，让私营承包商联合太空同盟（USA）承担更多飞行操作责任。自1995年以来，联合太空同盟可能把能力提高了三分之一，地面处理时间缩短一半，操作费用减少三分之一。进入空间站时代后，航天飞机操作方式的转变很难与过去的操作相比。航宇局每年花1亿美元处理航天飞机的安全和老旧问题，联合太空同盟则投入数百万美元改进操作。同时，航宇局大量投资X-33、X-34、X-37计划，与企业界合作研发可重复使用运载器技术。到2001年，这些计划要么终止，要么无限期延长。 上个世纪90年代中期，不断增长的市场需求促使私营部门投资研制新型运载火箭。到上世纪末，至少有9家初创公司在没有或只有少量政府投资的情况下研制自己的火箭。遗憾的是，大多数都没有成功。与其它国家的宇航部门也开始合作，冷战结束后，美国宇航公司与俄罗斯、乌克兰的火箭公司建立一些合资公司，用苏联的运载火箭提供发射服务。其中比较突出的是国际发射公司（ILS）,是洛克希德·马丁公司、俄罗斯克鲁尼切夫和能源公司的合资公司，销售质子号运载火箭。另一家是海上发射公司，波音、乌克兰（Yuzhnoye）、俄罗斯能源公司、挪威（Kvaerner）的合资公司，使用太平洋的海上发射平台发射天顶号火箭。此外，美国后来的运载火箭还使用了不少俄罗斯的技术，宇宙神V和德尔它IV都使用来自昔日铁幕背后的发动机。
“重复使用”与“一次使用”之争 很多宇航工程师相信，满足世界发射需求的长远解决方案就是完全可重复使用运载火箭。有些人相信可重复使用运载器是唯一的或者至少是最好的答案，另一些人认为一次使用的运载火箭仍然将在未来进入太空中发挥作用，这两种观点争论不断。可重复使用运载器支持者认为可重复使用是实现“有效的地球轨道往返运输”的必由之路，自上个世纪60年代末期以来不断重申这一观点。在他们看来，航空业就是未来繁荣的航天业的模式：每年飞行数千次，使用非常安全可靠。航天飞机出现以后，航宇局基本上按照这种模式开展航天飞机后继型号的研究。很少有人想到，航天飞机当初也是瞄着这种模式，实际上最初每一个航天飞机研制方案都有航空公司参加。 对下一代可重复使用运载器特别重要的尝试出现在里根政府时期，政府高级官员开始讨论“东方快车”，一种采用混合动力的空天飞机，普通人乘坐这种飞机从纽约到东京只要一个小时。这种方案理论上相当简单，但实现起来异常复杂。象普通客机一样从常规跑道上起飞，超音速飞行，达到45000英尺高空驾驶员起动超燃冲压发动机，使空天飞机加速到M数6的高超音速。飞到大气层边沿后，按相反的过程象普通飞机一样返回地面着陆。“东方快车”不进入轨道，只在太空飞行很短时间，乘客的体验跟轨道飞行是一样的。可重复使用运载器支持者认为，制造进入轨道的空天飞机也是可能的。上世纪50年代、60年代也研究过这种方案，每次都因为花费太高被搁置。 里根政府时期启动的一个最主要的项目是国家空天飞机（NASP）计划，由航宇局和空军联合开展的可重复使用空天飞机演示验证项目。 国家空天飞机采用吸气式发动机和机翼，舆论称之为完全可重复使用的单级入轨运载器。该项目没有达到飞行阶段，1994年陷入官僚政治和无尽的技术难题中，结果无疾而终。 国家空天飞机计划终止后，航宇局开始做自己的可重复使用运载器计划，其领导层对X-33验证机寄予很高的期望。X-33验证机是一架小型亚轨道飞行器，用于验证实用型单级入轨运载器所需的技术。按计划，分四步实现例行太空飞行能力，X-33验证机是第一步。洛克希德·马丁公司是项目合作方，计划2001年首次飞行，但试飞完成之后怎么办依然是个未知数。假使试飞成功，实现研发目标，随后生产、试验、鉴定实用型“冒险星”运载器的时间尚未明确，费用也没有着落。谁来支付费用成了谜团，特别糟糕的是，私营部门对这类合作项目的热情不断衰退，铱星一类的高显示度项目失败后大多抽身而退。2001年4月，接连不断的技术问题致使航宇局退出计划，洛克希德·马丁公司转而指望空军单独把验证机纳入小布什政府的新太空倡议。 有一种看法是，单级入轨的技术难度比预想的大很多，令人望而却步，几十年前的航天飞机是这样，前不久的国家空天飞机也是这样。包括X-33在内，任何单级入轨运载器都需要大量的技术突破，特别是在推进技术和材料技术方面。当设计人员开始设计单级入轨运载器时，他们会发现现有技术严重限制了有效载荷尺寸，与老式运载火箭相比节省的费用很少，甚至根本没有节省。若如此，跟航天飞机计划一样，航宇局必然遭受批评者的指责。批评者指责航宇局“兜售”航天飞机，说它是例行进入太空的经济实用型工具，结果没有兑现承诺。 并不是说单级入轨完全没有可能性，承担风险和推动技术前沿一直是航宇局的职责。但是，如果目标是研制一种比现有火箭成本低很多并且更可靠更灵活的新运载系统，那么很可能适得其反，得到一种根本不能实现目标的未来系统。在没有出现革命性的技术突破的情况下，这就是所有事情的真相。 由此引出另一种观点，认为进入太空最合适的途径是使用容易制造和操作的一次使用的大型火箭。可重复使用运载器看起来更有吸引力，但是，“一次使用”支持者认为它们节约成本的概念是错误的，重复使用节省成本的前提是少数运载器长时期大量发射以满足各类发射需求。只有当可重复使用运载器在很多年内完成很多次发送后，才能节省成本。“一次使用”支持者声称这是不可能实现的，因为必须假定运载器在整个寿命周期内不发生或极少发生事故。 “一次使用”支持者警告说，现实情况是，在寿命周期内所有可重复使用运载器部件不发生灾难性失效的概率不可能是100%。实际上,德尔它II这样相对“简单”的一次使用运载火箭（不带上面级、经历大量的发射），发射可靠性最高也就98%，这还有30年的使用经验做基础。大多数火箭在系统成熟的情况下发射成功率也只有90～92%，航天飞机的发射可靠性超过99%，但需要大量昂贵的冗余系统和安全性测试。对于新的运载火箭而言，初期由于缺少系统经验失败概率较高，可重复使用运载器要返回地面，失败概率加倍。为了解决这一问题，必须提高设计制造可靠性，从而大幅度增加研制和使用成本。 主张研制一次使用运载火箭的人提出,只使用一次,可以极大地简化系统设计。发动机、制导系统只用一次，意味着只需要正常工作一次。按90%甚至更低的使用可靠性验收，可以进一步降低新型火箭的设计、研制成本。很多专家认为，在90%的基础上在提高1.5个百分点，需要巨大的投入，成本效益很不合算。 有些人想法更激进，提出研制新火箭应该对将要发射的卫星类型心中有数，接受与航天发射环境对应的风险，把90%的可靠性作为正常值。对于非常贵重的卫星，可以选择高可靠、高价格的火箭；对于其它大部分任务，比如给国际空间站运送补给，80%的可靠性也可以接受。当然，载人任务另当别论，航宇局目前99.9%的可靠性已经非常杰出，也是应该追求的目标。今后，争论还会继续，直到出现真正优异的运载火箭为止。
小结 自从四十多年前开始航天飞行以来，人们一直面临左右为难的境地。一方面，化学火箭释放巨大的能量，第一代运载火箭使人类和不载人航天器摆脱了地球引力的束缚。很多在地球上受到极大限制的活动通过航天技术得以开展，通信卫星、气象卫星、全球定位系统、遥感卫星，这些航天成果让人们仿佛置身于另一个世界，如果不是身临其境很难让人相信。同时，这些化学火箭还把人类（虽然是极少数）送入太空，让不载人航天器飞离地球探访太阳系。 另一方面，虽然航天飞行意义非凡，成就辉煌，但成本也居高不下。降低成本一直是努力方向，一种办法是利用火箭推进，采用新材料和更先进的工程技术，研制可回收并重复使用的火箭；另一种办法是利用吸气式推进技术，理论上这种运载器具备提高质量分数的潜力。除此之外，还有其它很多方案。遗憾的是，航天史上绝大部分降低运载火箭成本的努力都陷入了“自我欺骗”和“自作聪明”的陷阱。大型计划往往走入怪圈：创立初期雄心勃勃，过程中大肆宣传，最后因为不切实际的管理问题（特别是技术风险的管理）而归于失败。这些计划混淆了革命性的研发项目与革新性的改进项目之间本该清晰的界限，研发项目高风险、高回报，改进项目低风险、低回报。只有突破“自我欺骗”的束缚，才可能引领未来运载器发展的新方向，才可能跳出左右为难的困境。 |
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