第一級(jí)火箭回收

Lance A.Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

第一級(jí)火箭回收

Lance A.Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

2016年4月8日，SpaceX的獵鷹9號(hào)火箭攜帶了有效載荷從美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射，并且第一級(jí)火箭在位于大西洋的漂浮的遙控船上成功著陸[1]。這是軌道火箭第二次實(shí)現(xiàn)成功返回。第一次是在2015年12月21日，當(dāng)時(shí)獵鷹9號(hào)從卡納維拉爾角發(fā)射，第一級(jí)火箭返回發(fā)射臺(tái)[2](圖1)。過(guò)去，第一級(jí)火箭通常設(shè)計(jì)為在重返大氣層時(shí)燒毀。這些回收操作在制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制方面取得了顯著的成績(jī)，并且從外貯燃料箱的視角提供了一些 壯觀的遠(yuǎn)程視頻[1-3]和著陸時(shí)的靜態(tài)圖片[4]。

圖1.即將降落在發(fā)射臺(tái)上的第一級(jí)火箭，支腿部署在底部，柵格尾翼部署在頂部以控制重返大氣層時(shí)提升的方向。

與在陸地上著陸相比，火箭在海上平臺(tái)上著陸需要的燃料較少。如果所需的火箭軌跡范圍太遠(yuǎn)或重載荷需要過(guò)多的可用燃料，那么引導(dǎo)火箭返回到發(fā)射臺(tái)似乎不太現(xiàn)實(shí)。遙控船可以部署在火箭自然落 地目標(biāo)距離區(qū)域內(nèi)或附近。SpaceX希望未來(lái)三分之一的火箭可以在陸地平臺(tái)著陸。在火箭是否可以立即返回到發(fā)射臺(tái)以便重復(fù)使用方面仍需權(quán)衡。參考文獻(xiàn)[1]中的視頻提供了不同飛行路線方案的信息示意圖。

SpaceX是一家私營(yíng)公司，成立于2002年，致力于設(shè)計(jì)、制造并推出先進(jìn)的火箭和航天器。主要的運(yùn)載火箭是獵鷹9號(hào)火箭。該火箭由9臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，在海平面上其組合推力可以達(dá)到6806 kN(1.53×106lbf)[5]。具有最大推力的梅林1D火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為180.1，幾乎是土星5號(hào)第一級(jí)火箭F-1發(fā)動(dòng)機(jī)(94.1)的兩倍[6]。該發(fā)動(dòng)機(jī)由液態(tài)氧和火箭級(jí)煤油提供動(dòng)力。SpaceX聲稱(chēng)，獵鷹9號(hào)在9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的2臺(tái)出現(xiàn)故障的情況下仍然可以完成它的使命?；鸺梢赃\(yùn)送13 150 kg(28 991 lb)的重物至低地球軌道(LEO)。此前，為了 證明火箭可以重新著陸，獵鷹9號(hào)已經(jīng)成功完成了多次飛行任務(wù)，其中包括向國(guó)際空間站運(yùn)送補(bǔ)給(包括第一級(jí)可回收的外貯燃料箱)和發(fā)射各種衛(wèi)星(第一級(jí)回收已經(jīng)作為任務(wù)的一部分為客戶(hù)Orbcomm部署了11顆通信衛(wèi)星)。在未來(lái)數(shù)年內(nèi)，該火箭將與命名為“飛龍”的增壓乘員艙結(jié)合使用，完成載人飛行任務(wù)。雖然SpaceX是一家致力于復(fù)雜技術(shù)領(lǐng)域(該領(lǐng)域的研究活動(dòng)以前主要由各國(guó)政府主導(dǎo))的年輕公司，但是據(jù)報(bào)道該公司可以實(shí)現(xiàn)盈利，并具有正現(xiàn)金流[7]。

獵鷹9號(hào)航天器是SpaceX戰(zhàn)略的一部分，旨在利用可重復(fù)使用的火箭以降低發(fā)射成本，從而建立和維持一個(gè)具有成本效益的商業(yè)發(fā)射業(yè)務(wù)。除此以外，為了實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，火箭的設(shè)計(jì)使得火箭在重返大氣層時(shí)不會(huì)被燒毀，同時(shí)也提供了為火箭著陸時(shí)部署的可伸縮支腿。雖然著陸時(shí)需要額外的燃料成本，但與獵鷹9號(hào)鋁鋰合金箭體和油箱以及相關(guān)硬件的1600萬(wàn)美元的成本相比，燃料成本是額定的(完整的火箭需要200 000美元)。SpaceX發(fā)射獵鷹9號(hào)的目前報(bào)價(jià)約為6100萬(wàn)美元，但是格溫?肖特韋爾總裁表示，由于火箭可以重復(fù)使用，發(fā)射成本將會(huì)降低30 %。

獵鷹重型運(yùn)載火箭目前處于開(kāi)發(fā)階段。其第一級(jí)火箭基于配置了兩臺(tái)額外發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)核的獵鷹9號(hào)火箭，每個(gè)內(nèi)核都含有與獵鷹9號(hào)相同的9臺(tái)并聯(lián)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)。獵鷹重型運(yùn)載火箭預(yù)計(jì)將會(huì)在2016年進(jìn)行第一次發(fā)射，有望成為國(guó)際火箭領(lǐng)域現(xiàn)有的最強(qiáng)勁的運(yùn)載火箭，可以將53 000 kg的有效載荷運(yùn)送至LEO，其運(yùn)載能力是下一代運(yùn)載能力最強(qiáng)的德?tīng)査蘒V重型火箭的兩倍，預(yù)計(jì)發(fā)射成本將達(dá)到9000萬(wàn)美元，約為德?tīng)査鸺杀镜娜种籟8]。

[1] Grush L.SpaceX successfully lands its rocket on a floating drone ship for the first time [Internet].New York: The Verge.2016 Apr 8 [cited 2016 May 3].Available from: http://www.theverge.com/2016/4/8/11392138/spacex-landing-success-falcon-9-rocket-barge-at-sea.

[2] Malik T.The Falcon has landed! Epic views of SpaceX’s amazing rocket landing [Internet].New York: Space.com.2015 Dec 22 [cited 2016 May 3].Available from: http://www.space.com/31444-spacex-falcon-rocket-landing-epicphotos.html.

[3] SpaceX.com [Internet].Hawthorne: Space Exploration Technologies Corp.; c2016 [cited 2016 May 3].Available from: http://www.spacex.com/.

[4] Limer E.You can practically smell the rocket fuel in SpaceX’s barge landing photos [Internet].New York: Popular Mechanics.2016 Apr 12 [cited 2016 May 3].Available from: http://www.popularmechanics.com/space/rockets/advice/ g2571/space-x-barge-landing-photos/.

[5] Falcon 9 [Internet].Hawthorne: Space Exploration Technologies Corp.; c2016 [cited 2016 May 3].Available from: http://www.spacex.com/falcon9.

[6] Rocket engine [Internet].San Francisco: Wikimedia Foundation, Inc.; [cited 2016 May 3].Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine.

[7] About SpaceX [Internet].Hawthorne: Space Exploration Technologies Corp.; c2016 [cited 2016 May 3].Available from: http://www.spacex.com/about.

[8] Falcon Heavy [Internet].Hawthorne: Space Exploration Technologies Corp.; c2016 [cited 2016 May 3].Available from: http://www.spacex.com/falcon-heavy.

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(2): 152-153

Lance A.Davis.First Stage Recovery.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.02.007