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獵鷹－9火箭第一級(jí)首次成功回收

First Successful Recovery of Falcon-9 Rocket's First Stage

2015年12月22日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）用獵鷹－9（Falcon－9）火箭成功發(fā)射了軌道通信公司的11顆小型通信衛(wèi)星。這不僅是獵鷹－9火箭自2015年6月28日發(fā)射失敗以來(lái)的首次發(fā)射，而且是升級(jí)版獵鷹－9火箭的首次使用。更重要的是，獵鷹－9火箭在世界上首次成功進(jìn)行第一級(jí)有動(dòng)力垂直回收，從而在人類(lèi)歷史上率先驗(yàn)證了軌道運(yùn)載火箭的回收技術(shù)，為未來(lái)打造可重復(fù)使用運(yùn)載火箭、大大降低運(yùn)載火箭發(fā)射成本奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1 意義重大

眾所周知，目前的運(yùn)載火箭都是一次性使用的，所以長(zhǎng)久以來(lái)航天發(fā)射成本居高不下，發(fā)送質(zhì)量1kg物質(zhì)上天的成本約為1萬(wàn)～2萬(wàn)美元，大大影響了人類(lèi)開(kāi)發(fā)太空的規(guī)模和效益。比如，作為目前世界上最便宜的獵鷹－9火箭總造價(jià)約為5000多萬(wàn)美元，而其推進(jìn)劑的成本只有20萬(wàn)美元，因此，如果能夠回收火箭，然后重復(fù)使用，可以極大降低發(fā)射成本。所以，美國(guó)太空探索技術(shù)公司自設(shè)計(jì)之初就一直在研究如何回收以及重復(fù)使用獵鷹－9火箭的相關(guān)技術(shù)。據(jù)悉，如果能回收并重復(fù)使用獵鷹－9火箭的第一級(jí)，可降低火箭成本80%；如果第一、二級(jí)火箭都能回收并重復(fù)使用，則可降低火箭成本99%。太空探索技術(shù)公司總裁伊隆·馬斯克曾表示，可重復(fù)使用火箭將使空間進(jìn)入成本降低2個(gè)數(shù)量級(jí)。

首次成功回收火箭是研制可重復(fù)使用火箭的第一步，以后還需多次試驗(yàn)，由成功變?yōu)槌墒?；今后還要突破和掌握回收第二級(jí)火箭技術(shù)，從而奠定可重復(fù)使用火箭的基礎(chǔ)；最后要突破和掌握只需低成本維修后的重復(fù)發(fā)射技術(shù)。

另外，由于可重復(fù)使用火箭可使每次發(fā)射的費(fèi)用大大降低，這就意味著能設(shè)計(jì)比現(xiàn)在便宜得多的衛(wèi)星，而不必再花費(fèi)大量資金來(lái)確保其長(zhǎng)壽命的工作狀態(tài)，因?yàn)榘l(fā)射費(fèi)用很便宜，如果衛(wèi)星壞了，只需再發(fā)射一顆填補(bǔ)空缺即可。

2 升級(jí)改進(jìn)

2015年12月22日發(fā)射的是首枚升級(jí)版獵鷹－9火箭，其主要改進(jìn)是：第一級(jí)火箭增加了液氧箱和煤油箱的長(zhǎng)度，提高了推力；第二級(jí)火箭加長(zhǎng)了0.5m，用于增加推力，減輕第一級(jí)的工作負(fù)擔(dān)，以便回收第一級(jí)；火箭總高度增加了約1.5m，達(dá)到70m；第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)改用推力增加了16%的隼－1D，每臺(tái)隼－1D海平面推力為756kN，真空推力為825kN，；第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)改用推力增加了17%的隼－1D-Vac，其真空推力為935kN；加注的液氧溫度降低到－207℃（比液氧的沸點(diǎn)－183℃還要低），以提高推進(jìn)劑密度，將液氧的加注量提高8%～15%，從而提高了火箭的運(yùn)載能力；煤油的溫度也從室溫降至－7℃，在粘度不影響燃料特性的前提下，其密度提高了2.5%～4%；火箭第一級(jí)和第二級(jí)之間的級(jí)間連接也進(jìn)行了改進(jìn)，以容納新型發(fā)動(dòng)機(jī)真空噴嘴，具有一個(gè)中心推桿，以輔助級(jí)間分離；火箭總推力提升了約30%。這些改進(jìn)使火箭可將質(zhì)量更大的通信衛(wèi)星送至地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO），并仍留有足夠的推進(jìn)劑以執(zhí)行著陸回收試驗(yàn)。

3 三種方案

要實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用，回收技術(shù)是關(guān)鍵?；鸺幕厥辗绞揭话阌腥N方案：降落傘垂直下降式、動(dòng)力反推垂直下降式和滑翔飛行水平著陸式。

1）降落傘垂直下降方案。它是在火箭分離后先進(jìn)行空中制動(dòng)變軌進(jìn)入返回地球大氣層的返回軌道，接著在低空采用降落傘減速，最后打開(kāi)氣囊或用緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)著陸。這種方案與回收飛船返回艙和返回式衛(wèi)星類(lèi)似。

2）動(dòng)力反推垂直下降方案。其空中變軌制動(dòng)同第一種，但在低空采用發(fā)動(dòng)機(jī)反推減速，以垂直下降方式降落地面，美國(guó)獵鷹－9火箭采用的就是這種方案。

3）滑翔飛行水平著陸方案，其箭體采用翼式飛行體，在變軌制動(dòng)后，火箭像飛機(jī)一樣水平返回地面。這種方案又分為有動(dòng)力和無(wú)動(dòng)力兩種，前者是采用裝有渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的翼式飛行體，在返回地面過(guò)程中啟動(dòng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行巡航機(jī)動(dòng)飛行，可實(shí)現(xiàn)更大范圍的回收區(qū)選擇（與蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)著陸類(lèi)似）；后者完全依靠翼身的氣動(dòng)力滑翔飛行，向飛機(jī)一樣水平著陸（與美國(guó)航天飛機(jī)著陸類(lèi)似）。

據(jù)悉，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院也一直致力于火箭回收技術(shù)的研究。2015年11月下旬，該院成功完成了運(yùn)載火箭子級(jí)回收群傘空投試驗(yàn)，這標(biāo)志著我國(guó)運(yùn)載火箭在部段回收技術(shù)上取得了新的進(jìn)展，離實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用又近了一步。中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院擬采用降落傘垂直下降方案來(lái)回收火箭。未來(lái)，火箭的芯一級(jí)還將增加“返航”設(shè)計(jì)，通過(guò)攜帶供自身返回的燃料，自主飛回預(yù)定區(qū)域，以備重復(fù)利用，從而降低運(yùn)載火箭的發(fā)射成本。

4 兩大技術(shù)

獵鷹－9火箭成功實(shí)現(xiàn)動(dòng)力反推垂直下降，主要攻克了兩大關(guān)鍵技術(shù)。

1）控制火箭姿態(tài)和落點(diǎn)精度。因?yàn)樵绞羌?xì)長(zhǎng)的東西，越不好控制其姿態(tài)，要使細(xì)長(zhǎng)的箭體垂直精確著陸在指定地點(diǎn)就更難。獵鷹－9通過(guò)箭上的氮推力器調(diào)整姿態(tài)。獵鷹－9火箭箭體上有4個(gè)可展開(kāi)的柵格翼，它用于通過(guò)GPS衛(wèi)星制導(dǎo)來(lái)協(xié)助控制火箭朝著陸地點(diǎn)降落，使其最終落地的精度在10m左右。柵格翼可以在大氣飛行過(guò)程中利用氣動(dòng)力進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定控制。其滾轉(zhuǎn)通道和傾斜通道是相互獨(dú)立的，通過(guò)開(kāi)式液壓系統(tǒng)作動(dòng)，液壓油從高壓貯箱流經(jīng)作動(dòng)機(jī)構(gòu)后直接排出箭體外部。

2）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要具有推力可調(diào)和多次啟動(dòng)的功能。為了動(dòng)力反推，火箭多帶了一些燃料。在第一級(jí)返回的不同高度，火箭質(zhì)量會(huì)隨著燃料快速消耗而明顯減小，所以其反推發(fā)動(dòng)機(jī)需要采用不同大小的推力，以實(shí)現(xiàn)軟著陸。獵鷹－9火箭是通過(guò)部分主發(fā)動(dòng)機(jī)3次點(diǎn)火制動(dòng)來(lái)減速的。在火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)的控制軟件中設(shè)置了矢量推力點(diǎn)，它能控制火箭的下落速度。

值得注意的是，采用動(dòng)力反推垂直下降來(lái)回收火箭是以增加一些成本和損失一些發(fā)射航天器質(zhì)量為代價(jià)的。另外，回收后是否能夠只經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單維修和加注燃料就可再次發(fā)射是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。如果維修成本太高，就達(dá)不到大大降低火箭發(fā)射成本的目的，可部分重復(fù)使用的美國(guó)航天飛機(jī)就是一個(gè)典型例子。雖然美國(guó)航天飛機(jī)技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)載量大，但因成本高，風(fēng)險(xiǎn)大，所以提前退役了。

獵鷹－9箭體上的柵格翼

5 返回過(guò)程

獵鷹－9火箭第一級(jí)發(fā)射約3min（約80km高）與第二級(jí)分離，速度達(dá)馬赫數(shù)為10，它滑行至140km的最高點(diǎn)。分離后，第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火持續(xù)約7min，以達(dá)到軌道速度，然后與有效載荷分離。與此同時(shí)，分離后的第一級(jí)采用低溫氮?dú)馔屏ζ鬟M(jìn)行姿態(tài)控制，使第一級(jí)擺脫第二級(jí)的尾焰羽流，并使48m高的第一級(jí)調(diào)轉(zhuǎn)方向，從而使第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)保持正確的點(diǎn)火方向，以返回著陸場(chǎng)。

在發(fā)射后4.5min，第一級(jí)火箭第1次重啟部分主發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低第一級(jí)的降落速度，并控制與著陸點(diǎn)之間的距離，使其能夠降落至距離發(fā)射場(chǎng)不足10km處。進(jìn)入大氣層后，第一級(jí)進(jìn)行第2次點(diǎn)火，持續(xù)大約20s，高度約為70km。通過(guò)點(diǎn)火反推和大氣層的阻力，速度從1300m/s降至250m/s。在再入大氣層過(guò)程中，由于第一級(jí)底部較重（帶有發(fā)動(dòng)機(jī)），會(huì)保持發(fā)動(dòng)機(jī)向下的姿態(tài)，而發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)罩經(jīng)過(guò)處理能夠經(jīng)受住再入的熱環(huán)境。在著陸之前，第一級(jí)的中心發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行第3次點(diǎn)火，將第一級(jí)速度降至2m/s。另外，在第一級(jí)著陸前10s，安裝在第一級(jí)底部的4個(gè)著陸支架要打開(kāi)，它由碳纖維材料和鋁合金蜂窩板制成，高約7.62m，總質(zhì)量為2.1t，帶有液壓減震器，可進(jìn)一步減少垂直著陸時(shí)的巨大沖擊，從而在回收平臺(tái)上軟著陸。在飛行過(guò)程中，支架收起附著在箭體上并覆蓋了氣動(dòng)外殼以降低阻力。在著陸時(shí)，支架展開(kāi)以提高穩(wěn)定性，減緩沖擊。支架的展開(kāi)動(dòng)作依靠高壓氦氣作動(dòng)的氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。著陸后8s內(nèi)，箭上計(jì)算機(jī)仍要不斷傳回信號(hào)，直至第一級(jí)呈現(xiàn)水平狀態(tài)時(shí)為止。在再入開(kāi)始階段，第一級(jí)會(huì)用4個(gè)柵格翼進(jìn)行滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航控制，保持第一級(jí)的穩(wěn)定。

升級(jí)版獵鷹－9火箭的第一級(jí)成功著陸

6 成功原因

2015年1月和4月先后進(jìn)行的回收獵鷹－9火箭第一級(jí)的試驗(yàn)雖然都失敗了，但也已接近成功。

2015年1月10日，獵鷹－9火箭在執(zhí)行“國(guó)際空間站”貨運(yùn)任務(wù)中試驗(yàn)回收火箭第一級(jí)技術(shù)。第一級(jí)火箭在發(fā)射后，落向大西洋上的海上著陸平臺(tái)，雖然準(zhǔn)確地命中目標(biāo)，但由于下降速度過(guò)快，導(dǎo)致火箭在甲板上發(fā)生爆炸。失敗的主要原因是火箭液壓油不足，從而導(dǎo)致其4個(gè)穩(wěn)定柵格翼無(wú)法有效發(fā)揮作用。

2015年4月14日，獵鷹－9火箭在執(zhí)行“國(guó)際空間站”貨運(yùn)任務(wù)中再次試驗(yàn)回收火箭第一級(jí)技術(shù)，雖然第一級(jí)火箭準(zhǔn)確著陸在海上回收平臺(tái)甲板上，但由于橫向速度過(guò)大，火箭未能在甲板上穩(wěn)穩(wěn)站立，最終導(dǎo)致傾覆爆炸。

這些失敗都沒(méi)影響太空探索技術(shù)公司尤其是馬斯克繼續(xù)試驗(yàn)的決心。2015年1月和4月2次試驗(yàn)失敗的原因分別是火箭穩(wěn)定翼用光了液壓控制油以及節(jié)流閥響應(yīng)滯后，使48m（約14層樓高）長(zhǎng)的火箭第一級(jí)沒(méi)有受到充分控制，在著陸時(shí)翻倒并撞向海上回收平臺(tái)，但火箭第一級(jí)在從太空返回地面時(shí)能夠得到精確控制。

太空探索技術(shù)公司在2015年12月的回收試驗(yàn)中進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。例如，采用了升級(jí)版獵鷹－9（又稱(chēng)獵鷹－9v1.2）執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。與此前的獵鷹－9v1.1相比，獵鷹－9v1.2增加了動(dòng)力30%，從而可在發(fā)射有效載荷后，仍有較大動(dòng)力使火箭第一級(jí)在著陸平臺(tái)上降落并回收。另外放棄了之前在海上回收平臺(tái)上回收的做法，而改為在陸地上回收，這是因?yàn)殛懙鼗厥彰娣e大，且穩(wěn)定不晃動(dòng)，氣象條件更好，能明顯降低回收難度。回收著陸場(chǎng)是太空探索技術(shù)公司從美國(guó)空軍租賃的卡納維拉爾角已退役的發(fā)射場(chǎng)，該著陸場(chǎng)在過(guò)去被稱(chēng)為發(fā)射綜合設(shè)施－1－3，太空探索技術(shù)公司將其重新命名為著陸綜合設(shè)施－1。固定平臺(tái)已標(biāo)記上X標(biāo)志，作為著陸點(diǎn)。

7 技高一籌

這次獵鷹－9回收成功與美國(guó)另一家民營(yíng)航天企業(yè)藍(lán)色起源公司有一定關(guān)系，因?yàn)樗{(lán)色起源公司的“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道火箭于2015年11月23日率先實(shí)現(xiàn)了回收。對(duì)比傳統(tǒng)一次性火箭，“新謝潑德”推進(jìn)段增加了環(huán)形和鰭形穩(wěn)定翼、多個(gè)減速板，以及液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的尾翼，尤其是尾翼可在約馬赫數(shù)為4的高速下工作，保證下降過(guò)程中的穩(wěn)定性。

從技術(shù)角度來(lái)看，獵鷹－9的回收比“新謝潑德”復(fù)雜得多，因?yàn)楂C鷹－9又細(xì)又長(zhǎng)（長(zhǎng)48m，有助于減少火箭飛行時(shí)的阻力），而“新謝潑德”顯得身材粗壯，只有20m長(zhǎng)。長(zhǎng)細(xì)比越大，控制難度就越大；獵鷹－9用于發(fā)射宇宙飛船和人造衛(wèi)星，而“新謝潑德”只是一種類(lèi)似探空火箭的亞軌道火箭，沒(méi)有發(fā)射航天器的能力，用于開(kāi)展商業(yè)太空旅游體驗(yàn)。與“新謝潑德”相比，獵鷹－9飛行高度高2倍，推力大15倍。太空探索技術(shù)公司總裁馬斯克指出：進(jìn)入太空與進(jìn)入軌道是不同的，“新謝潑德”進(jìn)入太空只需Ma 為3左右的速度，獵鷹－9進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道則需要Ma為30左右的速度。二者的能源需求也大不相同，進(jìn)入太空需要9個(gè)單位的能量，進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道需要900個(gè)單位的能量。即使這樣，“新謝潑德”的回收成功也給太空探索技術(shù)公司帶來(lái)了前所未有的壓力，迫使太空探索技術(shù)公司對(duì)獵鷹－9的回收進(jìn)行了較大改進(jìn)，降低回收難度，最終獲得了成功。

“新謝潑德”火箭接近地面時(shí)展開(kāi)著陸支架　

獵鷹－9火箭接近地面時(shí)展開(kāi)著陸支架

8 2016年概況

2016年1月18日，獵鷹－9v1.1火箭首次在美國(guó)范登堡空軍基地進(jìn)行發(fā)射，把美歐合作的賈森－3 （Jason－3）衛(wèi)星成功送入軌道。之后，在太平洋上的海上回收平臺(tái)進(jìn)行了第一級(jí)火箭回收試驗(yàn)。試驗(yàn)沒(méi)有成功，原因是著陸速度太快，火箭部分著陸支架折斷，火箭砸在海上回收平臺(tái)上。

2016年第二季度，美國(guó)太空探索技術(shù)公司將發(fā)射近地軌道運(yùn)載能力達(dá)53t的首枚“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭，并進(jìn)行第一級(jí)火箭與助推器的回收試驗(yàn)。這對(duì)未來(lái)耗資巨大的載人火星飛行、地外星球表面火箭重復(fù)利用等至關(guān)重要，因?yàn)槿绻厥粘晒Σ⒛芙档统杀局貜?fù)使用，則可以大幅降低載人火星任務(wù)的成本。

一旦“獵鷹重型”火箭成功發(fā)射并回收，太空探索技術(shù)公司可能會(huì)在2016年公布該公司的載人火星計(jì)劃。相比美國(guó)航空航天局（NASA）公布的2035年實(shí)現(xiàn)載人火星登陸，太空探索技術(shù)公司想搶先一步，在2025年實(shí)現(xiàn)載人登火星，馬斯克本人也想登陸火星。

今后，太空探索技術(shù)公司還將試驗(yàn)回收獵鷹－9火箭第二級(jí)的技術(shù)。其第一級(jí)由亞軌道垂直返回，但由于第二級(jí)飛得高，速度更快，回收再入大氣層時(shí)需要熱防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)才行，所以回收難度更大。另外，第二級(jí)上只有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此回收是否合算也需綜合考慮。

美國(guó)政府在“三角快帆”等垂直起降重復(fù)使用驗(yàn)證機(jī)相繼失敗后，更多地關(guān)注了試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1等帶翼水平返回的重復(fù)使用技術(shù)方案。2015年12月太空探索技術(shù)公司在這一技術(shù)方案上的成功，可能會(huì)很大程度上影響到未來(lái)重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展的方向。

司馬光/文