美國重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展分析

胡冬生 劉楠 劉丙利 焉寧（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部）

隨著世界航天的發(fā)展，如何提供更加可靠、經(jīng)濟(jì)、快速的航天發(fā)射服務(wù)是整個(gè)航天工業(yè)界面臨的主要挑戰(zhàn)之一。運(yùn)載火箭重復(fù)使用是應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)的重要技術(shù)途徑，一直以來就是世界各航天國家和地區(qū)的研究熱點(diǎn)，其中美國的研究進(jìn)展尤為突出，引領(lǐng)了人類在該領(lǐng)域的探索前沿和發(fā)展方向。從20 世紀(jì)60 年代開始，美國先后提出了多種運(yùn)載器重復(fù)使用途徑和方案，并開展了大量的技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，航天飛機(jī)的研制成功是其中的一個(gè)高潮。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，美國以更為務(wù)實(shí)的態(tài)度和更為經(jīng)濟(jì)的理念推進(jìn)重復(fù)使用技術(shù)的研發(fā)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)、制導(dǎo)控制等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)研究和驗(yàn)證，終于在21 世紀(jì)10 年代在獵鷹-9（Falcon -9）火箭上率先實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破和工程應(yīng)用，也成為其他國家爭相效仿的對(duì)象。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，美國在運(yùn)載火箭重復(fù)使用方面取得了重要成就，部分火箭已實(shí)現(xiàn)回收和重復(fù)使用，更多的火箭廠商則提出了重復(fù)使用方案并持續(xù)推進(jìn)研究。

“獵鷹”系列運(yùn)載火箭已實(shí)現(xiàn)部分重復(fù)使用

獵鷹- 9 火箭是美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）研制的部分重復(fù)使用兩級(jí)中型運(yùn)載火箭。該火箭全長70m，芯級(jí)直徑3.66m，起飛質(zhì)量549t，以液氧/煤油為推進(jìn)劑，火箭近地軌道最大運(yùn)載能力22.8t。獵鷹-9 火箭一級(jí)上安裝有柵格舵、著陸支架及單獨(dú)的控制系統(tǒng)，在一、二級(jí)分離后可通過主發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火制動(dòng)減速，具備垂直降落回收的能力，并可在短期內(nèi)經(jīng)過檢測(cè)、整修再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，據(jù)稱最大使用次數(shù)為10 次。其整流罩上也安裝有反作用控制系統(tǒng)（RCS）和翼傘系統(tǒng)，可以在進(jìn)入大氣層后實(shí)施減速，并利用回收船來網(wǎng)捕回收和重復(fù)使用。

獵鷹-9 火箭一級(jí)回收飛行剖面

獵鷹-9 和“獵鷹重型”火箭

“獵鷹重型”（Falcon Heavy）是在大量繼承獵鷹-9 火箭成熟技術(shù)基礎(chǔ)上研制的兩級(jí)重型運(yùn)載火箭，采用3 個(gè)通用芯級(jí)并聯(lián)加二子級(jí)的構(gòu)型，起飛時(shí)共有27 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，起飛質(zhì)量1420.8t，是目前運(yùn)載能力最大的現(xiàn)役火箭。“獵鷹重型”火箭繼承了獵鷹-9 火箭的自主可控回收技術(shù)，可以回收3 個(gè)芯級(jí)，從整體上大幅提升了重復(fù)使用率。全箭28 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中有27 臺(tái)能夠重復(fù)使用，復(fù)用率達(dá)到96%。

2015 年12 月- 2020 年11 月，SpaceX 公司已實(shí)現(xiàn)了60 余次火箭一級(jí)回收，單枚箭體實(shí)際使用次數(shù)最多已達(dá)7 次，整流罩也得到了回收和重復(fù)使用。

“超重-星艦”完全重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)持續(xù)推進(jìn)研制

SpaceX 公司在2016 年9 月正式對(duì)外公布了“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS），瞄準(zhǔn)人類殖民火星以及星際探索，后逐漸演化成“超重-星艦”（SuperHeavy-Starship）運(yùn)輸系統(tǒng)?！俺?星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)是一種重型運(yùn)輸系統(tǒng)，采用兩級(jí)構(gòu)型，由一級(jí)“超重”和二子級(jí)“星艦”組成，使用液氧/甲烷推進(jìn)劑?；鸺L約120m，箭體直徑9m，起飛質(zhì)量5000t，完全重復(fù)使用情況下近地軌道運(yùn)載能力超過100t。

“超重-星艦”系統(tǒng)中“超重”可像獵鷹-9 一級(jí)一樣垂直回收，“星艦”可在離軌后利用升力式氣動(dòng)減速和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)垂直軟著陸；同時(shí)，“星艦”取消了傳統(tǒng)的有效載荷整流罩，而采用類似航天飛機(jī)的翻蓋式艙門設(shè)計(jì)，使得“超重-星艦”具備了完全重復(fù)使用的能力。SpaceX 公司從2018 年開始先后研制3 個(gè)系列的試驗(yàn)樣機(jī)并持續(xù)開展試飛工作，包括試飛樣機(jī)“跳蟲”（Hopper）、全尺寸原型樣機(jī)Mk 系列和SN 系列，不斷改進(jìn)貯箱生產(chǎn)工藝，并測(cè)試其“猛禽”(Raptor) 發(fā)動(dòng)機(jī)。目前已實(shí)現(xiàn)12.5km 高度試飛，對(duì)低速情況下的制導(dǎo)控制進(jìn)行了初步驗(yàn)證，還需要對(duì)熱防護(hù)、高精度制導(dǎo)等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

“超重-星艦”系統(tǒng)

“火神”運(yùn)載火箭重復(fù)使用方案

為了應(yīng)對(duì)SpaceX 公司“獵鷹”系列火箭的挑戰(zhàn)以及擺脫美國運(yùn)載火箭對(duì)俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）研制了“火神”（Vulcan）火箭。該火箭為兩級(jí)半構(gòu)型，芯級(jí)直徑為5m，最多可捆綁6 枚固體助推器，芯一級(jí)使用2 臺(tái)藍(lán)色起源公司（Blue Origin）研制的BE-4 液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。在初始構(gòu)型中，“火神”火箭二子級(jí)采用“半人馬座”(Centaur)上面級(jí)，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約為11t。在新型上面級(jí)投入使用后，其運(yùn)載能力將超越德爾他-4（Delta-4）重型火箭。

“火神”火箭構(gòu)型圖

ULA 公司根據(jù)“火神”火箭可重復(fù)使用要求提出了敏感模塊自主返回技術(shù)（SMART）。在一、二級(jí)分離后，火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)將脫離，并在充氣式熱防護(hù)罩的保護(hù)下再入大氣層，然后依靠降落傘減速，最后由直升機(jī)在空中回收。ULA 公司表示推進(jìn)系統(tǒng)成本占整個(gè)一級(jí)成本的65%，一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的回收利用將會(huì)使一級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)成本降低90%，而這種僅回收關(guān)鍵部件的方式將比SpaceX 公司回收整個(gè)子級(jí)箭體的方式更加簡單和易于實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)來源于2007-2008年ULA 公司開展的宇宙神-5（Atlas-5）火箭動(dòng)力艙段空中回收技術(shù)研究，曾利用直升機(jī)和翼傘進(jìn)行過空中回收試驗(yàn)。ULA 公司聲稱SMART 回收項(xiàng)目只是該公司火箭回收計(jì)劃的一個(gè)開始，未來還將回收其他火箭組件，以進(jìn)一步降低發(fā)射成本。但目前ULA 公司并未在SMART 回收項(xiàng)目上取得進(jìn)一步的進(jìn)展。

SMART 項(xiàng)目工作示意圖

“新格倫”運(yùn)載火箭子級(jí)重復(fù)使用方案

為承接軌道旅行、商業(yè)及政府載荷的發(fā)射任務(wù)，藍(lán)色起源公司于2016 年9 月正式公布了其正在研制的“新格倫”（New Glenn）運(yùn)載火箭。“新格倫”火箭包括兩級(jí)與三級(jí)構(gòu)型，箭體直徑7m，可用于執(zhí)行近地軌道或更遠(yuǎn)軌道的商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射和載人飛行任務(wù)?；鸺患?jí)安裝7 臺(tái)BE-4 液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力1743t，二、三級(jí)采用液氫/液氧推進(jìn)劑。近地軌道運(yùn)載能力為45t，地球同步軌道運(yùn)載能力為13t。

“新格倫”火箭

“新格倫”火箭一級(jí)回收

“新謝潑德”火箭一級(jí)回收

“電子”火箭一級(jí)回收試驗(yàn)

“新格倫”火箭一級(jí)在發(fā)射分離后可垂直返回至海上駁船并回收使用，設(shè)計(jì)重復(fù)使用次數(shù)可達(dá)25次。該方案與SpaceX 公司獵鷹-9 火箭類似，但對(duì)一級(jí)氣動(dòng)外形進(jìn)行了改進(jìn)，增加了一對(duì)滑翔翼，分離再入后可以充分利用氣動(dòng)力來進(jìn)行減速和軌跡控制，發(fā)動(dòng)機(jī)僅需要一次點(diǎn)火即可實(shí)現(xiàn)軟著陸回收，能夠明顯減少返回所需的推進(jìn)劑消耗。目前，藍(lán)色起源公司的垂直回收和重復(fù)使用技術(shù)已在其“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道運(yùn)載器上實(shí)現(xiàn)，但距離軌道級(jí)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用還有一定差距。

“電子”運(yùn)載火箭開展子級(jí)回收技術(shù)驗(yàn)證

“電子”（Electron）火箭是美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司（Rocket Lab）研制的一型兩級(jí)液體火箭，采用電動(dòng)泵供應(yīng)液氧/煤油推進(jìn)劑，3D 打印復(fù)合材料貯箱和發(fā)動(dòng)機(jī)。全箭直徑1.2m，起飛質(zhì)量10.5t，500km 太陽同步軌道運(yùn)載能力為150kg。自2017 年首飛以來，“電子”火箭已成為世界上專門發(fā)射小衛(wèi)星的主力商業(yè)火箭。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司對(duì)“電子”火箭一級(jí)進(jìn)行回收和重復(fù)使用的初衷在于能夠更為頻繁地發(fā)射火箭?；鸺患?jí)在再入大氣層后使用降落傘進(jìn)行減速，并利用翼傘進(jìn)行滑翔，最終一架直升機(jī)在空中抓取翼傘實(shí)現(xiàn)回收。目前，火箭實(shí)驗(yàn)室公司已利用直升機(jī)和翼傘對(duì)一級(jí)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了多次回收試驗(yàn)，并在2020 年11 月的發(fā)射任務(wù)中以傘降減速、海面濺落打撈的方式首次完整無損地回收了火箭一級(jí)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究情況

重復(fù)使用運(yùn)載火箭涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)深度推力調(diào)節(jié)、高精度制導(dǎo)控制等關(guān)鍵技術(shù)，美國各火箭廠家對(duì)這些技術(shù)開展了持續(xù)攻關(guān)，并進(jìn)行了大量的技術(shù)驗(yàn)證。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)深度推力調(diào)節(jié)技術(shù)

對(duì)于垂直著陸火箭來說，應(yīng)在著陸的同時(shí)使速度降低到著陸所允許的條件，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力調(diào)節(jié)能力。發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍改變推力要通過調(diào)節(jié)多個(gè)元件來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)控制規(guī)律復(fù)雜，同時(shí)噴注器、渦輪泵等關(guān)鍵組件也要具備相應(yīng)條件下可靠工作的能力。SpaceX 公司“獵鷹”系列火箭的“灰背隼”（Merlin）發(fā)動(dòng)機(jī)采用了單一針?biāo)ㄊ絿娮⑵鳎哂型屏φ{(diào)節(jié)的天然優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過快速迭代，目前已可實(shí)現(xiàn)57%～100%的節(jié)流能力，“超重-星艦”系統(tǒng)的“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)采用液氧/甲烷推進(jìn)劑和全流量分級(jí)燃燒循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)40%～100%的節(jié)流能力，已通過“星艦”樣機(jī)150m 試飛得到了驗(yàn)證；藍(lán)色起源公司在“新謝潑德”運(yùn)載器BE-3 發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，新研了249t 推力的BE-4 液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)65%～100%的節(jié)流能力，為“新格倫”火箭一級(jí)的動(dòng)力垂直回收創(chuàng)造了條件。

返回段高精度制導(dǎo)與控制技術(shù)

重復(fù)使用火箭返回飛行過程中經(jīng)歷多個(gè)飛行段，每個(gè)飛行段均會(huì)由于自身結(jié)構(gòu)偏差、內(nèi)外部干擾和其他不確定性而產(chǎn)生軌跡和姿態(tài)偏差甚至失穩(wěn)，進(jìn)而影響到最終的著陸精度和安全性。因此，高精度制導(dǎo)與控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)安全著陸的基礎(chǔ)。不同的著陸回收方式會(huì)有不同的制導(dǎo)控制方案，但都離不開在線軌跡規(guī)劃和制導(dǎo)控制技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于垂直起降火箭來說，最有挑戰(zhàn)的是最后的動(dòng)力下降著陸制導(dǎo)。SpaceX 公司的獵鷹-9 火箭采用了在線凸優(yōu)化制導(dǎo)方法，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在零點(diǎn)幾秒內(nèi)對(duì)精確著陸段軌跡規(guī)劃問題在線快速求解?；谕箖?yōu)化的著陸制導(dǎo)算法最早由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在2007 年提出，隨后在美國馬斯騰空間系統(tǒng)公司（Masten）的垂直起降Xombie 小火箭上進(jìn)行了多次成功測(cè)試。SpaceX 公司對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以應(yīng)用于考慮氣動(dòng)力的著陸段制導(dǎo)。同時(shí)，為了提供足夠的控制力，SpaceX公司在火箭上安裝了4 片具有較高控制效率的柵格舵和RCS，配合主發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制并具有較強(qiáng)魯棒性的自適應(yīng)控制算法，為火箭在各飛行段提供姿態(tài)穩(wěn)定和控制。此外，“獵鷹”系列火箭整流罩上也安裝了RCS 和控制設(shè)備，以保持返回過程中的姿態(tài)穩(wěn)定，為開傘創(chuàng)造良好的條件。

氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)的一次性使用運(yùn)載火箭均為柱狀構(gòu)型，執(zhí)行上升段飛行任務(wù)時(shí)主要承受軸向力的作用。而對(duì)于需要再入回收的重復(fù)使用火箭來說，為了減小飛行載荷、降低氣動(dòng)熱以及便于利用氣動(dòng)力進(jìn)行軌跡控制，往往對(duì)箭體外形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。SpaceX 公司的“星艦”從2016 年以來一直在進(jìn)行外形優(yōu)化，翼的數(shù)量和形狀經(jīng)過了四輪較大的變化，到2019 年開始才逐漸固化，形成了前后兩對(duì)翼均可沿與箭體對(duì)接面擺動(dòng)的方案，能夠提供更大的控制能力，大大拓寬了“星艦”的再入飛行通道，有利于適應(yīng)不同的再入返回任務(wù)；“新格倫”火箭自2016 年首次發(fā)布后，一級(jí)外形也于2017 年進(jìn)行了改變，箭體尾部增加了兩片滑翔翼，使得再入過程中可以實(shí)現(xiàn)更為平緩的飛行，有助于改善再入飛行環(huán)境，同時(shí)降低了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)和推進(jìn)劑消耗的需求。

再入熱防護(hù)技術(shù)

火箭一級(jí)分離再入的馬赫數(shù)一般為Ma7 ～8，而從軌道再入的“星艦”的馬赫數(shù)可達(dá)Ma20 以上。以這樣的高超音速再入，為了保證箭體不會(huì)因氣動(dòng)加熱而燒蝕損壞，將結(jié)構(gòu)和設(shè)備的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，必須采取一定的熱防護(hù)措施。鑒于不銹鋼材料在低溫下的高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)和低成本的特點(diǎn)，SpaceX 公司將“星艦”的材料由復(fù)合材料換成了改良型不銹鋼，僅在迎風(fēng)面安裝了一層較薄的輕質(zhì)隔熱片，并輔以其他散熱措施，從而大大增強(qiáng)了熱防護(hù)能力；ULA 公司“火神”火箭一級(jí)動(dòng)力艙在分離后使用了充氣式防熱罩，利用柔性防護(hù)材料使動(dòng)力艙在再入過程中免受氣動(dòng)熱流的侵襲和燒蝕，該技術(shù)曾被NASA 作為大質(zhì)量火星探測(cè)任務(wù)的儲(chǔ)備技術(shù)，并開展過多次亞軌道飛行演示驗(yàn)證。

快速檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)

火箭回收后要經(jīng)過檢測(cè)、維修和加注才能再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)?；厥蘸髾z測(cè)與維護(hù)技術(shù)直接關(guān)系著成本維護(hù)和發(fā)射周期，是降低成本、提高快速響應(yīng)能力的關(guān)鍵。為了達(dá)到快速檢測(cè)與維護(hù)的目的，SpaceX公司一方面從設(shè)計(jì)入手，改進(jìn)“獵鷹”火箭著陸支架的閉鎖裝置以實(shí)現(xiàn)快速復(fù)位，將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架從焊接式連接改為螺栓連接，以方便拆解、檢查和維護(hù)等；另一方面，采用了健康管理的理念，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的健康監(jiān)測(cè)和故障診斷，大大減少了回收后檢測(cè)和評(píng)估的工作量；此外，“獵鷹”火箭一級(jí)在海上平臺(tái)回收后還使用了機(jī)器人來對(duì)箭體進(jìn)行固定，提高了安全性和響應(yīng)速度。目前，獵鷹-9 火箭一級(jí)最短再次發(fā)射時(shí)間間隔已縮短至51 天。

3 發(fā)展趨勢(shì)

綜合美國各航天企業(yè)所做的重復(fù)使用運(yùn)載火箭研究項(xiàng)目，以及關(guān)鍵技術(shù)研究情況進(jìn)行分析，美國重復(fù)使用運(yùn)載火箭遵循先一級(jí)重復(fù)使用后完全重復(fù)使用、多種回收方式并存但更傾向于動(dòng)力垂直回收、火箭研制理念持續(xù)革新的發(fā)展途徑。

由易到難，先部分重復(fù)使用再到完全重復(fù)使用

人類對(duì)重復(fù)使用火箭的實(shí)踐研究在單級(jí)完全重復(fù)使用、多級(jí)完全重復(fù)使用和多級(jí)部分重復(fù)使用之間多次反復(fù)。實(shí)踐證明，完全重復(fù)使用超越了時(shí)代和技術(shù)，在當(dāng)前的技術(shù)條件下是無法實(shí)現(xiàn)的。即使是多級(jí)完全重復(fù)使用，由于火箭末級(jí)以軌道速度再入，其承受的再入力/熱環(huán)境是一級(jí)的數(shù)倍，在控制、熱防護(hù)、材料等方面的研制難度則又呈數(shù)量級(jí)增加，遠(yuǎn)不如一級(jí)重復(fù)使用來得實(shí)際。同時(shí)，運(yùn)載火箭一級(jí)費(fèi)用占火箭整體費(fèi)用的50% 以上，即使僅實(shí)現(xiàn)一級(jí)重復(fù)使用也能使火箭發(fā)射費(fèi)用得到可觀的降低，同時(shí)為末級(jí)火箭回收積累技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因而，由易到難，先實(shí)現(xiàn)一級(jí)重復(fù)使用、再逐步探索多級(jí)完全重復(fù)使用，直至單級(jí)完全重復(fù)使用，已成為業(yè)界的發(fā)展策略。

中大型運(yùn)載火箭更加傾向于動(dòng)力垂直回收方式

從歷史上看，運(yùn)載火箭的回收大體可分為傘降回收、升力式回收和動(dòng)力垂直回收三種方式。早期的運(yùn)載火箭回收通常采用降落傘減速、海面濺落的方式，這樣的方式不具有改變飛行軌跡的能力，返回過程中箭體承受的載荷環(huán)境較為惡劣，著陸精度差，對(duì)回收和重復(fù)使用不利，且由于降落傘尺寸的限制，不能適應(yīng)較大箭體的回收。升力式回收大多為水平著陸，多停留在概念設(shè)計(jì)或技術(shù)驗(yàn)證階段，對(duì)現(xiàn)有火箭設(shè)計(jì)的改動(dòng)較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要增加一套單獨(dú)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，或利用自身動(dòng)力飛回發(fā)射場(chǎng)，造成結(jié)構(gòu)干質(zhì)量增加、運(yùn)載能力損失較大，且對(duì)著陸場(chǎng)的條件要求較高，相對(duì)固化的返回飛行剖面也使得其任務(wù)性能無法在更大程度上優(yōu)化，在航天發(fā)射方面的效益并不突出，其發(fā)展前景還不明朗。動(dòng)力垂直回收則可以在很多方面改善上述問題，通過發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火減小飛行載荷、提高著陸精度，同時(shí)其對(duì)現(xiàn)有火箭設(shè)計(jì)的改動(dòng)最小，因而率先得到了工程應(yīng)用，且更加適用于中型及大型運(yùn)載火箭的回收。

革新運(yùn)載火箭研制理念，更好地適應(yīng)回收和重復(fù)使用

當(dāng)前，傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭從外形上看基本均為圓柱狀，前端有整流外形。這樣的火箭主要為動(dòng)力上升入軌而設(shè)計(jì)，在飛行過程中箭體主要承受軸向載荷，對(duì)法向載荷的承受能力較弱，且在大氣層內(nèi)飛行時(shí)速度不高，氣動(dòng)加熱相對(duì)來說不明顯，也不用考慮回收后的維護(hù)和檢修。但對(duì)于需要回收的火箭一級(jí)而言，其在大氣層內(nèi)飛行的速度要大于上升段，且為了利用氣動(dòng)力來調(diào)節(jié)飛行軌跡，返回過程中一般會(huì)施加一定的攻角，甚至采用具有一定升阻比的外形，因而箭體還需要承受一定的法向載荷，載荷工況更加復(fù)雜，氣動(dòng)熱效應(yīng)也更為明顯，此外回收后檢測(cè)維護(hù)和重復(fù)使用也將對(duì)火箭設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要的影響。因此，重復(fù)使用運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)的一次性運(yùn)載火箭，應(yīng)著眼于全任務(wù)剖面、全生命周期的研制理念，既要滿足上升段飛行要求，也要考慮返回段的復(fù)雜載荷工況、氣動(dòng)控制、熱防護(hù)以及多次重復(fù)使用的檢測(cè)維護(hù)、疲勞載荷等因素，運(yùn)載火箭研制理念正在經(jīng)歷新一輪革新。

4 啟示

運(yùn)載火箭重復(fù)使用發(fā)展越來越清晰，逐步由夢(mèng)想走向現(xiàn)實(shí)

自人類進(jìn)入航天時(shí)代以來，運(yùn)載火箭重復(fù)使用就一直是人類孜孜以求的夢(mèng)想?？v觀21 世紀(jì)美國的重復(fù)使用運(yùn)載火箭，多采用部分重復(fù)使用的兩級(jí)入軌方案，回收的技術(shù)方案主要集中在動(dòng)力垂直回收和傘降空中回收兩類，相對(duì)于單級(jí)入軌重復(fù)使用火箭來說，大大降低了技術(shù)難度，增強(qiáng)了工程可實(shí)現(xiàn)性，因而在制導(dǎo)控制等技術(shù)取得進(jìn)展的21 世紀(jì)10 年代獲得了突破，首先實(shí)現(xiàn)了火箭部分重復(fù)使用的夢(mèng)想。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行入軌級(jí)回收和重復(fù)使用的研究，瞄準(zhǔn)最終實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用。在美國重復(fù)使用火箭帶來的壓力下，俄羅斯、歐洲、中國、日本、印度等國家和地區(qū)也持續(xù)推進(jìn)重復(fù)使用火箭的技術(shù)研究，甚至一些私營航天公司也加入了研制的行列，重復(fù)使用已成為航天運(yùn)輸領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

重復(fù)使用火箭將帶來世界航天發(fā)射業(yè)務(wù)的巨大變化

運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是發(fā)射價(jià)格的降低和發(fā)射頻次的提高。由于研制生產(chǎn)能力和火箭使用次數(shù)的限制，一次性運(yùn)載火箭的研制周期長、發(fā)射價(jià)格高。世界航天近幾年的年均發(fā)射次數(shù)一般在一百余次，僅能滿足各主要國家和地區(qū)基本的政府、軍事、民用和部分商業(yè)需求，市場(chǎng)潛力遠(yuǎn)未得到開發(fā)。若火箭實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用后，一發(fā)火箭回收后通過簡單維護(hù)就可以多次使用，大大降低了對(duì)生產(chǎn)線的要求，縮短了履約周期。同時(shí)，通過多次使用、費(fèi)用均攤降低了發(fā)射價(jià)格，生產(chǎn)線的減少也有利于基建成本的降低。低廉的發(fā)射價(jià)格和高頻次的發(fā)射機(jī)會(huì)將提供更加經(jīng)濟(jì)、快捷、高效的發(fā)射服務(wù)，刺激衛(wèi)星用戶需求的增加，促使人類更加頻繁地進(jìn)入和利用空間，促進(jìn)新型太空經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)的產(chǎn)生。

發(fā)揮航天企業(yè)潛力，創(chuàng)新機(jī)制，應(yīng)對(duì)重復(fù)使用技術(shù)新挑戰(zhàn)

通過分析美國重復(fù)使用火箭的研制進(jìn)展可以看出，私營航天公司的推進(jìn)進(jìn)度明顯快于傳統(tǒng)航天企業(yè)，其中SpaceX 公司已實(shí)現(xiàn)了多次一級(jí)和整流罩重復(fù)使用，火箭實(shí)驗(yàn)室已開展了多次一級(jí)傘降回收試驗(yàn)。傳統(tǒng)航天企業(yè)更多依賴政府背景，承接了大量的政府訂單和任務(wù)，雖有技術(shù)積累，但在重復(fù)使用火箭研究方面的動(dòng)力和投入力度不足。而私營航天公司更多的是以生存和盈利為目的，在火箭研制中既要考慮自身技術(shù)基礎(chǔ)，更要考慮商業(yè)運(yùn)營、算經(jīng)濟(jì)賬，對(duì)重復(fù)使用技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用正是契合了這一思路。目前，SpaceX 公司的火箭發(fā)射已成為國際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的主導(dǎo)力量，發(fā)射價(jià)格屢創(chuàng)新低，發(fā)射頻次卻逐漸攀升，對(duì)各傳統(tǒng)航天國家和地區(qū)的運(yùn)載火箭發(fā)射業(yè)務(wù)造成了巨大沖擊，體現(xiàn)了私營航天公司的靈活性和創(chuàng)新性。因此，對(duì)于傳統(tǒng)航天企業(yè)而言，應(yīng)該積極擁抱新技術(shù)、應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，學(xué)會(huì)使用商業(yè)思維來創(chuàng)新機(jī)制、整合優(yōu)勢(shì)資源，快速推進(jìn)重復(fù)使用火箭的研發(fā)，這不僅是提高競爭力、大力開拓商業(yè)市場(chǎng)的必經(jīng)之路，更是人類積極開發(fā)太空、打造太空經(jīng)濟(jì)的重要途徑。