垂直回收火箭風(fēng)潮漸起
——淺析各國(guó)如何謀劃回收“大業(yè)”

文/ 田豐

2015年12月22日，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）完成了獵鷹9火箭一級(jí)的首次回收；1年零3個(gè)月后，該公司首次重復(fù)發(fā)射回收翻修后的火箭一級(jí)，將SES-10通信衛(wèi)星送入軌道，正式拉開了垂直起降部分回收運(yùn)載火箭的時(shí)代。

截至目前，獵鷹9火箭服役已有10年，共執(zhí)行95次發(fā)射任務(wù)，其中包含41次回收后的復(fù)用發(fā)射，占比約43%，且41次復(fù)用發(fā)射任務(wù)全部成功，成功率100%。此外，單芯級(jí)最多發(fā)射次數(shù)為6次，最短翻修周期已不足1個(gè)半月?！矮C鷹9”的回收復(fù)用加之本身的低廉成本，直接沖擊了“宇宙神5”“質(zhì)子號(hào)”“阿里安5”等運(yùn)載火箭的商業(yè)發(fā)射訂單。

近年來(lái)，隨著“獵鷹9”這種垂直起降部分復(fù)用運(yùn)載火箭的可靠性和經(jīng)濟(jì)型逐步得到業(yè)界認(rèn)可，其設(shè)計(jì)思路也逐步影響了世界各國(guó)火箭研發(fā)路線，多國(guó)相繼開始了回收火箭的“真香”之旅。目前除“獵鷹9”所屬的美國(guó)之外，中、俄、歐、日等都已開始在垂直起降可回收火箭上相繼發(fā)力，立項(xiàng)或規(guī)劃了多種技術(shù)驗(yàn)證機(jī)和火箭型號(hào)。

表1 目前各國(guó)現(xiàn)役或在研的垂直起降可部分回收運(yùn)載火箭

“畫風(fēng)”突變的俄羅斯版“獵鷹9”

在對(duì)待復(fù)用火箭的公開態(tài)度上，“畫風(fēng)”轉(zhuǎn)變最大的要數(shù)俄羅斯。從“獵鷹9”開始蠶食俄質(zhì)子號(hào)火箭市場(chǎng)開始，俄官方就一直在質(zhì)疑其復(fù)用設(shè)計(jì)。俄航天集團(tuán)負(fù)責(zé)人曾公開撰文稱太空探索技術(shù)公司利用高溢價(jià)的國(guó)防和美國(guó)宇航局發(fā)射訂單變相補(bǔ)貼其商業(yè)任務(wù)，以此達(dá)到惡性壓價(jià)搶奪市場(chǎng)的目的，低廉報(bào)價(jià)并非是回收和復(fù)用火箭的功勞。同時(shí)還稱俄方會(huì)采用代號(hào)“貝加爾”的有翼回收助推器方案達(dá)成真正的回收降本。

“貝加爾”源自蘇聯(lián)時(shí)期能源火箭的可回收助推器方案，助推器配置有機(jī)翼、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣道、起落架，采用垂直起飛水平滑行著陸的思路，但一直停留在設(shè)想階段。

然而就在不久前，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)公司正式發(fā)布了其新一代商業(yè)化甲烷可回收運(yùn)載火箭，該火箭名為“阿穆爾”（Amur）?；鸺O(shè)計(jì)方案一改以往蘇聯(lián)遺產(chǎn)堆砌風(fēng)，采用低成本商業(yè)化可回收火箭思路，并且結(jié)合俄本土特色規(guī)劃了一套回收體系。

“阿穆爾”全箭采用液氧甲烷（天然氣）推進(jìn)劑，兩級(jí)設(shè)計(jì)，一級(jí)采用垂直起飛反推回收的思路，裝有5臺(tái)RD-0169A發(fā)動(dòng)機(jī)，海平面推力100噸左右。火箭二級(jí)為一次性使用，采用與一級(jí)同型發(fā)動(dòng)機(jī)的真空版RD-169V，但僅安裝一臺(tái)，真空推力110噸左右。

阿穆爾火箭高55米，起飛質(zhì)量360噸，直徑4.1米，整流罩直徑5.1米，一級(jí)安裝有回收用的可收放支腿和柵格舵。近地軌道的可回收運(yùn)力10.5噸，同時(shí)具備一次性發(fā)射能力，運(yùn)力12.5噸，高于目前聯(lián)盟2火箭的8.5噸運(yùn)力。俄方稱火箭貯箱將采用共底設(shè)計(jì)；在可靠性設(shè)計(jì)上，在大幅降低火箭零件數(shù)的同時(shí)，一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)還將具備推力冗余設(shè)計(jì)，在其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障關(guān)機(jī)的情況下，其余發(fā)動(dòng)機(jī)可以增大推力并延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，以確保任務(wù)成功。除此之外，“阿穆爾”還預(yù)留了后續(xù)運(yùn)力增強(qiáng)的設(shè)計(jì)空間，可配備“弗雷蓋特”系列上面級(jí)來(lái)支撐高軌發(fā)射任務(wù)?；鸺患?jí)初期設(shè)計(jì)重復(fù)使用10次，成熟后結(jié)合回收及復(fù)用，每年將具備15次發(fā)射的能力。

▲ “阿穆爾”火箭著陸概念圖

▲ 甲烷動(dòng)力火箭“阿穆爾”概念模型

俄式特色回收體系

火箭回收方式與目前已經(jīng)成熟的獵鷹9火箭的海上回收方案類似，一級(jí)分離后不會(huì)掉頭飛回發(fā)射場(chǎng)，而是沿既定彈道方向回收。得益于俄羅斯地廣人稀幅員遼闊的特點(diǎn)，火箭即使不掉頭飛回發(fā)射場(chǎng)仍可在陸地著陸。目前暫定在俄哈巴羅夫斯克地區(qū)靠近鄂霍次克海的南部海岸著陸。

發(fā)射和回收過(guò)程中，“阿穆爾”一級(jí)的五臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在上升段全部點(diǎn)火工作。一級(jí)關(guān)機(jī)分離后，下降過(guò)程為減小箭體熱流峰值，中央發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)再次點(diǎn)火進(jìn)行反推減速，下降段全程采用柵格舵調(diào)整火箭姿態(tài)和方向，直到著陸前中央發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火進(jìn)行著陸反推?；鸺懞髸?huì)自動(dòng)進(jìn)行推進(jìn)劑泄放，然后用專用設(shè)備收起腿和柵格舵，放倒后裝入專用集裝箱運(yùn)回翻修場(chǎng)所。運(yùn)輸方案可選擇傳統(tǒng)的鐵路運(yùn)輸返回，俄方還提出了使用米-26重型直升機(jī)調(diào)運(yùn)的新方案。俄方表示，火箭翻修將大量應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)手段，減少拆解和檢修工作量。發(fā)射設(shè)施也會(huì)高度簡(jiǎn)化，采用全自動(dòng)無(wú)人值守發(fā)射系統(tǒng)。為吸引游客還建有發(fā)射觀禮平臺(tái)，總裝廠房增設(shè)獨(dú)立參觀通道。

目前俄方預(yù)估初步設(shè)計(jì)將花費(fèi)4億盧布，而從研發(fā)到火箭首飛將耗資700億盧布。為從商業(yè)化角度出發(fā)并盡早收回投資，俄方表示阿穆爾火箭將積極競(jìng)標(biāo)俄羅斯自建的“球”（Sphere）星座的發(fā)射合同，而且該火箭還將考慮作為俄下一代重型火箭的助推器。該方案類似“天頂”火箭，其一級(jí)曾作為“能源”系列重型運(yùn)載火箭的助推器。俄方稱回收且無(wú)上面級(jí)版本的發(fā)射成本低至2200萬(wàn)美元，一次性無(wú)上面級(jí)版本約為3000萬(wàn)美元，配備上面級(jí)后將提高至3500萬(wàn)美元左右。

“眾神云集”——漸進(jìn)成熟的歐洲回收火箭

歐洲正在研發(fā)的下一代主力運(yùn)載火箭是阿里安6，這是標(biāo)準(zhǔn)的一次性運(yùn)載火箭。其全面研發(fā)開始于2016年左右，當(dāng)時(shí)“獵鷹9”的回收復(fù)用只不過(guò)初露端倪，所以“阿里安6”設(shè)計(jì)上意圖通過(guò)簡(jiǎn)化貯箱和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，提高增材制造比例，采用通用固體助推器等方式降低火箭成本，意圖重奪國(guó)際商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)訂單。因此，阿里安6火箭在性能上相對(duì)于前一代“阿里安5”反而有所倒退。但“阿里安6”自身研發(fā)成本不菲，未來(lái)發(fā)射成本和報(bào)價(jià)下降的空間相對(duì)有限；即使如期首飛可能也難以正面與復(fù)用的“獵鷹9”相競(jìng)爭(zhēng)。因此，以法國(guó)為首的歐洲各國(guó)，也開始了復(fù)用火箭研發(fā)之路。

▲ 歐洲發(fā)動(dòng)機(jī)成本路線

▲ 歐洲可回收火箭發(fā)展路線圖

歐洲火箭多采用神話中的神祗命名，因此整個(gè)復(fù)用技術(shù)研發(fā)路線圖可謂是“眾神云集”。航天人常說(shuō)——“火箭升空，動(dòng)力先行”，整個(gè)路線圖中最先啟動(dòng)的是重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。2017年由法國(guó)牽頭，歐洲空間局資助8500萬(wàn)歐元，正式開始研發(fā)名為“普羅米修斯”的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)推力百噸左右，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)成本，泵殼及葉輪將大量采用增材制造技術(shù)，設(shè)計(jì)上選用了簡(jiǎn)單的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，成本目標(biāo)為降至“阿里安6”一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)“芬奇2.1”的十分之一，即100萬(wàn)歐元，同時(shí)配以流水線化的生產(chǎn)模式，目標(biāo)年產(chǎn)量可達(dá)到100臺(tái)。歐洲后續(xù)可回收火箭項(xiàng)目均以此發(fā)動(dòng)機(jī)為核心展開，參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 2017年公布的普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

除動(dòng)力系統(tǒng)外，為驗(yàn)證回收過(guò)程中的制導(dǎo)／導(dǎo)航與控制技術(shù)，法國(guó)和德國(guó)各自研發(fā)驗(yàn)證飛行器，分別試用了不同的制導(dǎo)策略，重點(diǎn)集中在在線軌跡規(guī)劃技術(shù)。之后的2017年，法國(guó)、德國(guó)聯(lián)合日本開始研發(fā)名為“克里斯托”的垂直回收驗(yàn)證機(jī)，作用類似于太空探索技術(shù)公司的“蚱蜢”，為“普羅米修斯”及后續(xù)可回收火箭做技術(shù)儲(chǔ)備。但限于規(guī)模和進(jìn)度，“克里斯托”未能采用“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)，而是將采用其他較小的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)做替代?！翱死锼雇小庇?jì)劃2022年具備驗(yàn)證條件，并開展10次左右的飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證包括制導(dǎo)控制技術(shù)在內(nèi)的垂直起降關(guān)鍵技術(shù)。

▲ 配備普羅米修斯的發(fā)動(dòng)機(jī)艙

而“普羅米修斯”的正式登場(chǎng)則要等到名為“忒彌斯”的亞軌道垂直回收火箭，類似于太空探索技術(shù)公司的F9R，作為未來(lái)軌道級(jí)火箭一級(jí)的設(shè)計(jì)參考。“忒彌斯”預(yù)計(jì)采用7臺(tái)“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃于2023-2025年之間開展驗(yàn)證飛行?！斑瘡浰埂背墒熘髮槊麨椤鞍⒗锇?7”（又稱Ariane Next）真正可垂直起降部分回收運(yùn)載火箭提供設(shè)計(jì)支撐，因此“阿里安7”按規(guī)劃要在2025－2030年間方可首飛。歐洲的方案可謂是循序漸進(jìn)，步步為營(yíng)，路線清晰可行，但進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)受自家“阿里安6”的擠占，目前的“阿里安7”的設(shè)計(jì)尚未明朗，即使能如期首飛，到時(shí)業(yè)界情況也難以預(yù)料。

不甘人后的日本和美國(guó)友商

日本的運(yùn)載火箭發(fā)展路線與歐洲類似，在造價(jià)高昂的H-2系列火箭之后，規(guī)劃了類似“阿里安6”的低成本一次性運(yùn)載火箭H-3。但隨著可回收火箭風(fēng)頭正勁，加之回收復(fù)用體系成熟和成本優(yōu)勢(shì)日益顯露，日本也打起了可回收火箭的算盤。日本的思路是一貫的雙面押寶，自研、合作雙管齊下，除前文所述參與法、德、日三國(guó)合研的“克里斯托”計(jì)劃之外，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)也獨(dú)立研發(fā)了代號(hào)RV-X的驗(yàn)證飛行器。RV-X主要用于驗(yàn)證著陸段的制導(dǎo)控制技術(shù)，除開展垂直起降飛行試驗(yàn)外還為其后續(xù)國(guó)際合作積累經(jīng)驗(yàn)。而最終用于實(shí)際軌道發(fā)射的回收火箭設(shè)計(jì)，日本仍在規(guī)劃研究中。

有趣的是，作為太空探索技術(shù)公司所在國(guó)，美國(guó)其他火箭制造商對(duì)垂直起降回收思路反倒是應(yīng)者寥寥，僅有“藍(lán)色起源”一家采用類似思路。而最具實(shí)力的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟在研的“火神”火箭，因芯一級(jí)僅采用兩臺(tái)BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)，難以進(jìn)行垂直起降回收，只得另行規(guī)劃了稱為“智能回收”的發(fā)動(dòng)機(jī)傘降回收計(jì)劃。

▲ 普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ “普羅米修斯”在工作臺(tái)上

▲ 克里斯托垂直回收驗(yàn)證機(jī)

自從太空探索技術(shù)公司鋪平了垂直起降回收復(fù)用道路后，美、中、歐、俄、日都相繼開展了相關(guān)工作?？v觀目前各國(guó)在研或規(guī)劃中的垂直起降回收火箭，不難發(fā)現(xiàn)諸多共同點(diǎn)，雖然各家出發(fā)點(diǎn)互不相同，但結(jié)果卻是“殊途同歸”。首先各家的首要目的都是降低發(fā)射成本，以提高競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)射頻率，而回收復(fù)用能夠有效降低成本的前提是一型火箭本身的研發(fā)和制造成本要相對(duì)低。反之，如果一款復(fù)用火箭本身研制成本高企不下，即使能夠復(fù)用，其成本依然難與一次性火箭相較高下，航天飛機(jī)黯然退役的結(jié)局殷鑒不遠(yuǎn)。因此各家在設(shè)計(jì)上大多采用同一種發(fā)動(dòng)機(jī)的不同版本，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)類型以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單成本低的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)為主，還普遍采用了增材制造技術(shù)。

▲ “蚱蜢”系留試驗(yàn)

除此之外，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)翻修條件，新研回收火箭不約而同采用了低積碳（結(jié)焦）的液氧甲烷作為主要推進(jìn)劑組合。同時(shí)因液氧和甲烷沸點(diǎn)溫差僅20攝氏度，貯箱共底難度相對(duì)其他推進(jìn)劑組合大幅降低，多型火箭采用了共底設(shè)計(jì)，從側(cè)面拔高了火箭性能。還有發(fā)動(dòng)機(jī)的并聯(lián)設(shè)計(jì)和變推力性能也為提高火箭可靠性的動(dòng)力冗余設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支撐。目前雖然一次性運(yùn)載火箭仍是絕對(duì)主流，但這股復(fù)用火箭之風(fēng)呈漸盛之勢(shì)，足見(jiàn)業(yè)界已經(jīng)對(duì)回收復(fù)用火箭是否可行、是否省錢、是否可靠3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題有了初步的答案。 ★