明日之星：可回收火箭技術(shù)

星海

如果你覺得加速成績秒殺超級跑車的純電動汽車特斯拉還不夠給力的話，那么當(dāng)SpaceX公司的獵鷹火箭飛上太空又成功被回收之后，應(yīng)該足以讓你成為“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克的粉絲了吧。

從2015年第一次完成子級火箭的陸上著陸，到2016年首次實(shí)現(xiàn)海上回收，在短短數(shù)年的時間里，“獵鷹9號”火箭已經(jīng)完成了33次子級火箭的成功回收，在可重復(fù)使用火箭技術(shù)上遙遙領(lǐng)先。那么，SpaceX公司在實(shí)現(xiàn)子級火箭成功回收上都攻克了哪些技術(shù)難點(diǎn)？

四大關(guān)鍵技術(shù)

由于一次性使用的火箭發(fā)射成本過高，不利于航天事業(yè)的長期發(fā)展，故以降低費(fèi)用為目的的可重復(fù)使用火箭技術(shù)被提上了日程。但是發(fā)明可重復(fù)使用火箭卻有著諸多技術(shù)難點(diǎn)，例如在一二級火箭分離后，一級火箭從亞軌道下降至地面的著陸過程中，會受到來自復(fù)雜飛行環(huán)境和多種隨機(jī)因素的干擾。為了克服諸多不利因素，SpaceX通過4個關(guān)鍵性技術(shù)的攻關(guān)，書寫了一個人類航天史上新的里程碑。

以SpaceX公司的“獵鷹9號”為例，它主要涉及以下4個方面的關(guān)鍵技術(shù)：

一是精確返回飛行與安全著陸控制技術(shù)。

飛行控制系統(tǒng)在諸多先進(jìn)算法的支撐下讓安全著陸成為可能。

首先，制導(dǎo)/導(dǎo)航與控制技術(shù)（GNC）算法的仿真和原理性飛行試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)控制算法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)尋找到了最優(yōu)化匹配。為達(dá)到精確返回、安全著落的目標(biāo)，就必須對火箭自身特性、飛行環(huán)境與擾動因素進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述，而后利用GNC算法尋找最優(yōu)匹配。

其次，美國宇航局（NASA）的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用火箭的定點(diǎn)軟著陸問題，研發(fā)出了一套燃料優(yōu)化轉(zhuǎn)移指導(dǎo)算法（G-FOLD），其算法可對子級火箭的燃料加注進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃。眾所周知，飛機(jī)要在消耗掉一定燃料后才能完成降落，例如前不久川航飛機(jī)就在空中盤旋6小時后才成功降落?；鸺嗍侨绱?，過多的剩余燃料會導(dǎo)致箭體超重，增加火箭著陸時事故發(fā)生的概率。

最后，無損凸優(yōu)化理論為火箭著陸計算出最佳軌道?；鸺厥者^程會涉及到諸多復(fù)雜問題，例如RCS系統(tǒng)何時工作及其持續(xù)時間問題;發(fā)動機(jī)工作時間和推力大小問題;不同飛行階段如何確定起點(diǎn)與終點(diǎn)的速度問題;柵格舵和著陸緩沖機(jī)構(gòu)的打開時間問題。為此，SpaceX公司GNC首席工程師Lars Blackmore和德克薩斯大學(xué)教授Acikmese共同提出了一種快速收斂、對初值不敏感、所得解即為全局最優(yōu)解的無損凸優(yōu)化理論，使得諸多復(fù)雜問題迎刃而解。雖然SpaceX公司尚未公開子級火箭回收的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，但據(jù)推測獵鷹火箭可能也使用了無損凸優(yōu)化的研究成果。

二是變推力可重復(fù)使用發(fā)動機(jī)技術(shù)。

因?yàn)榘l(fā)動機(jī)在重復(fù)使用火箭中承擔(dān)著重要角色，是火箭實(shí)現(xiàn)空中減速的關(guān)鍵所在，所以能力要求更高。

首先，可重復(fù)使用火箭的發(fā)動機(jī)必須具備推力調(diào)節(jié)能力。在著陸階段，由于重力加速度，火箭會加速下落，于是必須通過發(fā)動機(jī)的推力調(diào)節(jié)，使火箭速度降低到著陸允許的條件范圍內(nèi)。

其次，發(fā)動機(jī)必須具備在寬入口條件下的點(diǎn)火能力。由于返回過程中貯箱推進(jìn)劑剩余量不足10%，貯箱壓力過低，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動條件也會偏離正常范圍要求，于是對火箭的點(diǎn)火能力要求也會相應(yīng)提高。

最后，發(fā)動機(jī)需要具備健康監(jiān)測與剩余壽命評估能力。傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機(jī)均為一次性使用，不用考慮健康監(jiān)測與剩余壽命評估問題。但是對于重復(fù)使用火箭的發(fā)動機(jī)，就需要開展相應(yīng)的健康監(jiān)測和壽命評估，以規(guī)劃其后續(xù)使用的方案。此外，發(fā)動機(jī)的檢測與評估還涉及了數(shù)據(jù)采集處理、故障診斷與控制和智能減損等諸多技術(shù)，對其能力的要求更高了。

三是高可靠著陸緩沖機(jī)構(gòu)技術(shù)。

雖然火箭的大部分速度已被發(fā)動機(jī)通過反噴抵消，但是在著陸瞬間仍然會因沖擊過載而對火箭造成損傷，因此緩沖技術(shù)顯得尤為重要。

首先，為了使箭體平穩(wěn)著陸，著陸緩沖機(jī)構(gòu)要有較好的強(qiáng)度和緩沖功能，并要具備對傾斜姿態(tài)、殘余速度的適應(yīng)能力，從根本上保證著陸的安全穩(wěn)定性。

其次，由于著陸支架過于靠近火箭發(fā)動機(jī)，要經(jīng)受得起高達(dá)4000℃高溫氣流的灼烤，這就要求其必須具有承受反侵熱流的防護(hù)能力。

最后，為了減少火箭自重，提高有效載荷的運(yùn)載能力，著陸緩沖機(jī)構(gòu)采用了支腿式結(jié)構(gòu)，具有可收放、可重復(fù)使用、緩沖效率高、著陸穩(wěn)定性好、占用空間少等諸多優(yōu)點(diǎn)。

四是返場快速檢測與維護(hù)技術(shù)。

為了完成多次使用的目標(biāo)，就必須對回收火箭進(jìn)行充分的檢測與維護(hù)。可重復(fù)使用火箭在回收后應(yīng)該只需經(jīng)過簡單維修和加注燃料就能再次使用，否則價值不大。但通過拆卸箭上產(chǎn)品逐個檢測的傳統(tǒng)手段程序繁瑣且復(fù)雜，已經(jīng)無法滿足可重復(fù)使用火箭的需要。因此采用了無拆卸的快速檢測與維護(hù)技術(shù)，同時結(jié)合相應(yīng)的檢測系統(tǒng)，對火箭的健康狀態(tài)和預(yù)期壽命進(jìn)行自動評估。

兩大未來愿景

可重復(fù)回收火箭的四大關(guān)鍵技術(shù)已逐步攻克，完全重復(fù)使用火箭也將在不久的未來實(shí)現(xiàn)，那么可重復(fù)回收火箭在未來的航天事業(yè)中將會扮演什么樣的角色？SpaceX公司在未來還會為我們帶來怎樣的驚喜？

首先，可重復(fù)使用火箭將會在未來的國際角逐中扮演關(guān)鍵角色。早在火箭發(fā)展的初始階段，馮·布勞恩和錢學(xué)森就提出了重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的概念。目的是通過火箭自身可靠性、多次重復(fù)使用來均攤費(fèi)用，降低火箭發(fā)射成本。同時，可重復(fù)使用火箭可以依靠先進(jìn)設(shè)計理念和發(fā)射方式，縮短發(fā)射周期、提高發(fā)射機(jī)動靈活性，實(shí)現(xiàn)更加便捷和低成本地進(jìn)入太空，為大規(guī)模進(jìn)行空間利用和開發(fā)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。此外，利用其技術(shù)能夠形成新型空間攻防武器平臺，執(zhí)行空間支援、作戰(zhàn)、偵察、監(jiān)視、預(yù)警、對地攻擊等諸多軍事任務(wù)。所以無論是在航天領(lǐng)域，還是在軍事領(lǐng)域，可重復(fù)使用火箭必定會發(fā)揮更加重要的作用。

其次，SpaceX的成功，意味著在未來的“航天俱樂部”中將會涌入諸多以SpaceX為代表的私營航天公司。

如今，SpaceX公司已經(jīng)完成了33次“獵鷹9號”火箭的回收工作，并在前不久實(shí)現(xiàn)了與國際空間站的成功對接。近期，SpaceX公司也得到NASA的認(rèn)可，未來也將與其開展更加深度的合作。2018年5月，SpaceX公司創(chuàng)始人馬斯克在接受媒體采訪時表示，2019年“獵鷹9號”火箭有望在24小時內(nèi)完成2次同一枚火箭的發(fā)射和回收，屆時將會再次書寫一個人類航天史上的里程碑。

可重復(fù)回收火箭只是航天發(fā)展的第一步，不遠(yuǎn)的將來，SpaceX公司還將為我們帶來更多驚喜。早年，馬斯克就曾提出雄心勃勃的火星移民計劃。他在接受《華盛頓郵報》記者專訪時，曾透露過更多關(guān)于火星探索計劃的細(xì)節(jié)。實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用火箭技術(shù)只是火星探索計劃的第一步，SpaceX公司計劃會用貨運(yùn)飛船率先前往火星，而后向其發(fā)射載人航天器，最終建成人類火星移民基地。