火箭回收有多難？

李大光

2016年1月18日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）用“獵鷹-9”運載火箭成功將一顆海洋觀測衛(wèi)星送入軌道，但在隨后的第一級火箭海上回收試驗中，沒能延續(xù)近1個月前陸地回收試驗成功的好運，以失敗告終。

SpaceX的“獵鷹-9”火箭

火箭回收的探索

讓運載火箭在海面平臺上著陸的概念已提出了幾十年，但一直未有這方面的成功嘗試。2011年，SpaceX提出了“垂直起飛，垂直降落”（簡稱VTVL）的一級火箭回收復(fù)用方案。一級火箭分離后，在再入大氣層過程中重新開啟3臺發(fā)動機減速，在接近地面的時候打開4個支撐腿，并啟動一臺發(fā)動機，通過發(fā)動機推力的控制，使火箭垂直降落在著陸場上。這個相當“科幻”的重復(fù)使用概念其實在1990年就已提出，麥道公司（1997年并入波音）在1991～1996年間，曾經(jīng)開發(fā)了兩型“德爾塔快帆”驗證機，對相關(guān)技術(shù)進行飛行驗證。不過，“獵鷹-9”一級火箭的飛行高度和速度以及控制難度，遠超出了“德爾塔快帆”的已驗證范圍。

從2012年開始，SpaceX利用“蚱蜢”火箭開展VTVL技術(shù)驗證試驗。在先后8次的飛行中，最高飛到了744米，并成功降落。但是，“獵鷹-9”火箭第一級分離時，速度高達10馬赫，高度在45千米以上，還面臨嚴重的推進劑不沉底、氣動載荷、姿態(tài)失控、高空橫風等問題，這些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦所無法驗證的。

2014年4月18日，SpaceX在利用“獵鷹-9”運載火箭和“龍”飛船執(zhí)行國際空間站貨運補給任務(wù)過程中成功實施了火箭第一級“軟著陸”試驗?！矮C鷹-9”火箭第一級降落到大西洋，但遭遇風浪襲擊損毀，未能完整回收。7月14日，SpaceX利用“獵鷹-9”火箭成功將6顆通信衛(wèi)星發(fā)送至低地球軌道，同時還利用此次發(fā)射測試回收程序，如多級火箭分離后重新定向第一級、在海面上降落、著陸支架展開等。

2015年1月10日，SpaceX成功向國際空間站發(fā)射了“龍”飛船，但“獵鷹-9”運載火箭第一級海上回收嘗試以失敗告終，火箭在海面浮動平臺硬著陸并損毀。此次發(fā)射中最令人關(guān)注的是“獵鷹-9”運載火箭的第一級能否首次在沒有錨定的海面浮動平臺上精準著陸。6月28日，“獵鷹-9”運載火箭執(zhí)行國際空間站貨運補給任務(wù)，火箭升空兩分半鐘后突然爆炸解體，原計劃讓火箭第一級垂直降落在海上漂浮平臺的嘗試再次失敗。

2015年12月21日，“獵鷹-9”運載火箭搭載11顆通信衛(wèi)星，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，10分鐘后，第一級火箭成功著陸地面平臺，首次實現(xiàn)安全回收。這成為航天領(lǐng)域具有里程碑意義的重大事件，標志著可重復(fù)使用火箭技術(shù)邁出了一大步。鑒于此前兩次一級火箭回收試驗失敗，火箭或直接墜入大?；蛞蛴仓懚〒p壞，SpaceX這一次使用了升級版火箭，并將著陸點從海洋轉(zhuǎn)移到陸地，從而獲得了成功。

“藍色起源”公司的“新謝帕德”號火箭

可惜的是，2016年初“獵鷹-9”沒有一鼓作氣地成功實現(xiàn)海上著陸，未能為SpaceX創(chuàng)下第二座里程碑?！矮C鷹-9”第三次海上回收視頻顯示，在“獵鷹-9”的一根著陸支架未能鎖定之前，此時火箭已經(jīng)精準地降落到海上駁船上，導(dǎo)致箭體翻倒繼而引發(fā)爆炸。SpaceX公司首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克稱，“獵鷹-9”海上著陸失敗的“根本原因或是火箭在升空時，大霧凝結(jié)造成了冰集聚所致”。

火箭回收的難度

目前，運載火箭都是一次性航天工具，其第一級火箭在完成分離后會墜落到陸上無人區(qū)或空曠海域，不可重復(fù)使用。埃隆·馬斯克曾形容火箭使用的浪費程度，就和一架波音747客機僅作了單趟飛行就報廢一般。造價高昂的火箭如果能擺脫“一次性”用品角色，未來航天發(fā)射的成本有望大大降低。這就是為什么人們歷經(jīng)失敗仍堅持嘗試的原因，不過他們需要克服的難題不小。

運載火箭回收試驗有兩大難點：一是讓火箭第一級在分離后垂直下降，其難度就像在暴風雨中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上;二是精準降落在沒有錨定且只有足球場大小的浮動平臺上極其困難，其著陸精度要求在10米以內(nèi)。因此，回收火箭首先要解決火箭著陸精度問題，要能夠回收到預(yù)定地點。其次，火箭要以垂直的姿態(tài)降落，必須解決姿態(tài)控制問題，而越是豎長的物體，就越難以控制。此外，還要解決減速問題，必須是軟著陸，又不用降落傘，所以只能用反向推力裝置。而且，回收的過程是一個變速過程，在這個變速過程中如何始終解決好以上幾大問題，難度非常高。就回收平臺來說，在海上平臺上回收火箭比陸地平臺更難，因為陸地上氣象條件更好，回收面積也可以更大，平臺更穩(wěn)定。不過，在陸上降落意味著火箭在空中飛行距離可能更長，消耗的燃料更多。

從垂直回收技術(shù)上來看，在回收過程中要通過火箭發(fā)動機在推力和方向上不斷地調(diào)節(jié)和調(diào)整來進行精確控制，這對燃燒室、渦輪泵、閥門等各組件要求很高。此外，還需要解決大長徑比的發(fā)動機垂直降落的姿態(tài)控制、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計等一系列難題。更重要的是，回收系統(tǒng)不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，還要達到相當高的可靠性?；鸺闹亓?、體積必須最小化，否則會成為一個巨大的“累贅”。

可靠的回收只是火箭重復(fù)使用的第一步，接下來要驗證火箭的發(fā)動機是否可以重復(fù)使用，還要進一步驗證回收二級火箭的可行性。

火箭的重復(fù)使用對于發(fā)動機核心部件的性能和壽命提出了更高要求。目前火箭發(fā)動機的設(shè)計壽命、試車時間都是以秒為單位計算。對于一次性使用的火箭來說，保證材料和相關(guān)設(shè)計在短時間能頂?shù)米∈且粋€問題，確保長壽命使用又是另外一個問題。美國航天飛機的主發(fā)動機的燃燒室壓強高達207個大氣壓，燃燒室的工作溫度約為3300℃（目前最先進的渦扇發(fā)動機渦輪溫度不到1700℃），其中一個小小的渦輪泵的功率就是目前最先進主戰(zhàn)坦克發(fā)動機功率的數(shù)十倍。讓這樣的發(fā)動機順利工作一次就已經(jīng)非常困難，而要重復(fù)使用多次，那么對材料和工藝的要求必須要上一個巨大的臺階。

火箭首次成功回收只是一個開始，意味著這項技術(shù)具有可行性，但想要真正掌握這一技術(shù)，還需要通過多次試驗驗證其可靠性，由成功變成成熟。一旦這些技術(shù)可以完全實現(xiàn)，將大大降低航天發(fā)射成本。專家預(yù)計，如果回收并重復(fù)使用第一級火箭，可以降低80%的成本，而如果能回收并利用第二級將可以降低98%的成本。

火箭回收的“比拼”

嚴格來說，“獵鷹-9”火箭并非第一枚成功回收的火箭，而是第一枚成功實現(xiàn)回收的軌道運載火箭。因為2015年11月24日，亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯旗下的“藍色起源”太空公司成功將“新謝帕德”號火箭發(fā)射到約100千米的高度，火箭隨后又成功返回發(fā)射場。這是全球第一個發(fā)射升空后又完好無損返回地面的火箭。不僅如此，該公司還于2016年1月22日把回收的火箭再次發(fā)射并令其成功在陸地上軟著陸。

那么，相對于上述可回收火箭，“獵鷹-9”運載火箭又先進在哪里呢？“獵鷹-9”的目標是將有效荷載運送到近地軌道，而“新謝帕德”的目標只是未來將乘客送往亞軌道，無論從飛行高度還是速度都和進行軌道發(fā)射的運載火箭不是一個量級。而且“獵鷹-9”運載火箭第一級的長徑比遠遠大于前者，控制難度更大，回收難度也更大。

2015年4月，與美國軍方關(guān)系密切的一家航天公司——“美國發(fā)射聯(lián)盟”公布了其新一代軍用運載火箭的部分設(shè)計。這種新型運載火箭被定名為“火神”，它具有兩大先進技術(shù)，首先是第一級火箭可重復(fù)使用，其次它的第二級火箭在完成任務(wù)后可停留在軌道充當加油站，允許其他航天器與其對接并獲得燃料補給。預(yù)計這兩項技術(shù)將在2023～2024年后達到實用水平。

從發(fā)展的角度來看，重復(fù)使用將是未來運載火箭發(fā)展的一個趨勢，無論在商業(yè)上還是在軍事上都有潛在的價值。除了美國，歐洲、日本甚至印度都在對相關(guān)技術(shù)進行預(yù)研。2015年1月5日，法國宣布已開始與德國等國開展小型技術(shù)研究項目，研制以液氧/甲烷為燃料的可重復(fù)使用火箭。

我國的火箭可重復(fù)使用技術(shù)仍然處于探索階段，尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。我國的載人飛船也是采用垂直著陸方式，因此，我國的火箭可重復(fù)使用技術(shù)研究或?qū)⒔⒃诖怪鄙导夹g(shù)基礎(chǔ)上。然而，重復(fù)使用的火箭對基礎(chǔ)工業(yè)和材料工業(yè)的要求將達到一個空前高度，這是對中國航天工業(yè)的一個新考驗。

【責任編輯】龐 ?云