美國太空探索技術公司成功實現(xiàn)火箭一子級復用

SpaceX Completed Reuse of Rocket' s First Stage

楊開 龍雪丹 （北京航天長征科技信息研究所）

北京時間2017年3月31日6：27，美國太空探索技術公司（S p a c e X）利用獵鷹-9（Falcon-9）火箭將歐洲通信公司（SES）的歐洲通信衛(wèi)星-10（SES-10）送入地球同步轉移軌道（GTO）。在這次發(fā)射中，獵鷹-9火箭使用了2016年4月回收的火箭一子級，并且再次成功回收。此次發(fā)射任務的成功標志著SpaceX公司已經(jīng)掌握了火箭一子級動力垂直回收和復用的技術方案。此外，SpaceX公司創(chuàng)始人伊隆·馬斯克在任務后的采訪中表示，這次還成功回收了火箭整流罩中的1瓣（整流罩分為2瓣）。

1 關于此次發(fā)射任務

發(fā)射概況

此次發(fā)射是SpaceX公司2017年執(zhí)行的第3次任務，載荷為歐洲通信衛(wèi)星-10，質量約為5.3t。

此次發(fā)射任務中SpaceX公司使用的火箭型號為獵鷹-9v1.2，該火箭從2015年12月開始投入使用，目前官方給出的低地球軌道（LEO）運載能力為22.8t，GTO運載能力為8.3t，不過這都是在不回收火箭一子級的情況下，完全一次性使用時的最大運載能力。而實際上SpaceX公司也明確表示，目前6250萬美元的發(fā)射價格對應的GTO運載能力為5.5t，即在回收火箭一子級的情況下，遠達不到其最大運載能力。

火箭一子級復用前的準備工作

此次發(fā)射使用獵鷹-9火箭一子級的序號為1021號，它曾在2016年4月執(zhí)行的第8次“國際空間站”貨運補給任務-8（CRS-8）中利用海上平臺回收，這也是SpaceX公司第一次成功實現(xiàn)海上平臺的火箭一子級回收。

2016年2月5日，1021號火箭一子級在德克薩斯州的麥格雷戈試驗場進行了全時長點火試車。在2月8日的一次試驗事故中，1021號火箭一子級的所有發(fā)動機噴管都被損壞，在麥格雷戈試驗場完成修繕之后，于3月底運往卡納維拉爾角的LC 40發(fā)射工位，并與二子級和“龍”（Dragon）飛船完成裝配。4月5日，獵鷹-9火箭在發(fā)射臺上進行整箭點火試車，火箭一子級的9臺發(fā)動機點火工作3.5s。4月6日，1021號火箭一子級執(zhí)行發(fā)射任務，成功完成了CRS-8任務，并成功實現(xiàn)海上回收。

回收之后，SpaceX公司將1021號火箭一子級從海上回收平臺卸下，拆卸著陸支架之后，運回肯尼迪航天中心LC 39A發(fā)射工位的水平裝配廠房。在水平裝配廠房內，SpaceX公司對1021號火箭一子級進行大量的檢查和研究，并卸下了火箭一子級上的9臺發(fā)動機。

最初，SpaceX公司計劃利用1021號火箭一子級進行一系列試車（大約10次），以充分研究回收火箭一子級的性能，為重復使用做準備。但隨著回收子級數(shù)量的增加，SpaceX公司決定先利用2016年5月執(zhí)行日本通信衛(wèi)星-14（JCSAT-14）任務時回收的1022號火箭一子級開展試車活動。之所以更換試車對象，是因為1022號火箭一子級是在高軌發(fā)射任務中回收的，已經(jīng)達到了性能和熱防護的極限，可能很難再次執(zhí)行發(fā)射任務。而且可以在充分利用1022號火箭一子級所達到的極限條件的基礎上，通過其試車數(shù)據(jù)來驗證其他回收火箭一子級的狀態(tài)是否符合要求。

SpaceX公司按照計劃對1022號火箭一子級進行了多次試車，獲取了大量關于回收火箭一子級健康狀態(tài)和性能的數(shù)據(jù)，包括各子系統(tǒng)對于多次點火的響應、低溫貯箱多次循環(huán)使用的影響等，對估計各子系統(tǒng)可重復使用的次數(shù)形成了初步的判斷。當然，SpaceX公司得到最重要的結論是回收的火箭一子級可以復飛。在1022號火箭一子級完成試車后，歐洲通信公司公布歐洲通信衛(wèi)星-10將采用回收的1021號火箭一子級進行發(fā)射任務。

2017年1月，1021號火箭一子級在德克薩斯州的麥格雷戈試驗場成功完成了全時長試車，這是SpaceX公司發(fā)射任務中的標準流程。之后，1021號火箭一子級被運往肯尼迪航天中心，在LC 39A發(fā)射工位的水平裝配廠房內進行最后的處理流程。

2016年，獵鷹-9在準備以色列阿莫斯-6衛(wèi)星發(fā)射任務的地面試車時發(fā)生爆炸事故。此后，SpaceX公司已經(jīng)不再搭載載荷在發(fā)射臺上進行全箭試車。2017年3月28日，1021號火箭一子級和二子級的組合體在LC 39A發(fā)射臺上進行了時長5s的全箭試車，比以往全箭試車的時間略長。

2 關于SpaceX公司的重復使用方案

技術發(fā)展路線

SpaceX公司成立之初的目標就是要打破傳統(tǒng)發(fā)射服務運營商的高昂價格，因此，火箭方案設計階段就已經(jīng)考慮到了重復使用的問題。根據(jù)SpaceX公司和美國航空航天局（NASA）在2006年簽訂的太空行動協(xié)議，獵鷹-9v1.0的一二子級都將采用重復使用設計，但是并沒有提及具體的設計方案。2010年獵鷹-9v1.0首飛時，火箭一子級外表面安裝燒蝕材料，內部安裝降落傘，試驗降落傘回收火箭一子級的方案，但是采用鋁鋰合金結構的火箭一子級在返回過程中因承受不住氣動載荷和熱載荷而解體，傘降回收的嘗試失敗。

隨后，SpaceX公司決定放棄傘降方案，迅速轉向有動力的垂直返回技術。2012年開始利用獵鷹-9v1.0火箭一子級改造的“蚱蜢”（Grasshopper）驗證機驗證垂直起降技術，到2013年10月共進行8次飛行試驗，對垂直起降技術進行初步驗證；2013年初淘汰獵鷹-9v1.0，為垂直回收方案而設計的獵鷹-9v1.1投入使用，并開始在飛行任務中驗證垂直回收技術；2014年，利用獵鷹-9v1.1火箭一子級改造的F9R-Dev驗證機完成5次比“蚱蜢”驗證機飛行高度更高的垂直起降試驗；2015年開始嘗試利用海上平臺回收火箭一子級，年底實現(xiàn)陸地回收；2016年，為適應海上回收進一步改進獵鷹-9火箭，推出獵鷹-9v1.2，并成功實現(xiàn)海上回收；2017年實現(xiàn)回收火箭的再次發(fā)射。SpaceX公司在垂直起降技術上成功走出一條“驗證機驗證-發(fā)射任務驗證-火箭改進-火箭回收”的發(fā)展途徑。

配套設施建設

為了配合垂直起降火箭一子級回收方案，SpaceX公司還建設了多個專用設施。

（1）麥格雷戈試驗場的垂直起降飛行試驗平臺

為了開展“蚱蜢”和F9R-Dev兩架驗證機的垂直起降試驗，SpaceX公司在麥格雷戈試驗場建造了專用的試驗平臺。在進行“蚱蜢”驗證機的飛行試驗時，起飛和著陸點相同，平臺面積較小。在F9R-Dev進行飛行試驗時，SpaceX公司擴展了平臺區(qū)域，將其分為發(fā)射區(qū)（發(fā)射臺底座上安裝有固定系統(tǒng)）和著陸區(qū)兩部分。

（2）海上回收平臺

為了實現(xiàn)在海上回收獵鷹-9火箭一子級，SpaceX公司租賃了3艘駁船，將其改造成海上回收平臺，并稱之為“自主航天港無人船”（ASDS），其中有一艘已經(jīng)退役，現(xiàn)役的兩艘代號分別為“我依然愛著你”（“Of Course I Still Love You”）和“請閱讀說明”（“Just Read the Instruction”），分別用于回收東海岸卡納維拉爾角發(fā)射的火箭以及西海岸范登堡空軍基地發(fā)射的火箭。

海上回收平臺能夠利用GPS定位信息和4個柴油動力的方位推力器進行自主控制，可以在風暴中將位置精度保持在3m以內。除了自主運行模式外，該船舶還能進行遙控。方位推力器采用噴水推進驅動單元，包括柴油-液力-驅動動力單元和一個模塊控制器，這些都是由水上設備制造商圖馬思特公司（Thrustmaster）生產(chǎn)的。

位于上甲板的著陸平臺尺寸為52m×91m。獵鷹-9火箭著陸支架的跨度為18m，火箭返回過程中不僅要受到甲板尺寸的限制，還要受到海浪以及GPS誤差的影響。在火箭進行著陸操作時，會在回收平臺附近布置支援船只?；鸺蛔蛹壷懞?，技術人員和工程師會登上回收平臺，確認火箭的著陸支架固定在船只上，以便運回港口。

火箭海上回收平臺參數(shù)

近期，SpaceX公司還對其海上回收平臺進行改進。平臺中心位置的甲板在回收過程中因燒蝕受損，對此進行了更換。另外，最主要的是在平臺上設置了一臺用于固定火箭一子級的“機器人”，并在平臺一端的防爆屏障后設置了一個機庫，用于存放這臺機器人。按照推測，在火箭一子級降落在平臺甲板后，固定機器人會鉆到火箭下方，伸出4個液壓臂，通過夾緊和支撐火箭底部用于安裝發(fā)動機的結構，實現(xiàn)對火箭一子級的固定。

之所以要對火箭進行固定，是因為火箭在著陸之后還存在翻倒的風險。2016年1月17日，獵鷹-9v1.1執(zhí)行賈森-3（Jason-3）衛(wèi)星發(fā)射任務時，火箭一子級雖然成功降落到了平臺上，但是由于當天的大霧天氣導致著陸支架在發(fā)射過程中結冰，降低了支架強度，著陸后的支架折斷，火箭一子級翻倒在回收平臺上炸毀。2016年5月27日，獵鷹-9v1.2發(fā)射泰國通信衛(wèi)星-8（Thaicom-8），雖然成功回收了火箭一子級，但返回過程中著陸支架緩沖裝置受損，箭體落在平臺上之后發(fā)生傾斜，后來在運回港口的過程中也給SpaceX公司帶來了不小的麻煩。

（3）位于卡納維拉爾角的回收區(qū)

為配合卡納維拉爾角進行的低軌發(fā)射任務，SpaceX公司在卡納維拉爾角空軍基地租用了LC 13發(fā)射工位，將其改建為第一著陸區(qū)（LZ-1）。著陸區(qū)直徑228m，中心是一塊61m×61m的硬水泥平臺。

此外，SpaceX公司已經(jīng)向政府提出申請，希望在卡納維拉爾角空軍基地再建設2個著陸區(qū)，用于同時回收“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭的芯級和2個捆綁助推器?！矮C鷹重型”火箭采用兩級構型，火箭一子級（芯級）和獵鷹-9相同，捆綁了2枚和火箭一子級相同的助推器。芯級和2枚助推器都可以垂直返回進行重復使用。針對SpaceX公司提出的新著陸臺建設的申請，美國空軍發(fā)布了環(huán)境評估報告。報告指出，SpaceX公司將在第一著陸區(qū)新建2個著陸臺，分別位于原著陸臺的西北方和西南方，新著陸臺本身直徑85.96m，外圍是寬15.24m的硬土帶，直徑總計116.44m。

（4）回收火箭一子級的處理廠房

2016年，SpaceX公司將回收的火箭一子級都存放到了LC 39A發(fā)射工位的水平裝配廠房內，但是隨著該發(fā)射工位投入使用，以及回收火箭一子級數(shù)量不斷增多，存放以及處理的問題逐漸凸顯出來。2017年3月20日，SpaceX公司在卡納維拉爾港租賃了新的廠房，用于存放和處理回收后的火箭一子級。該廠房占地面積約5000m2，租賃時間為5年。此外，SpaceX公司計劃還要再建大約4000m2的廠房。

3 小結

首先，作為第一家實現(xiàn)火箭重復使用的航天企業(yè)，SpaceX公司打開了運載火箭歷史上新的篇章。雖然之前航天飛機的固體助推器也實現(xiàn)了回收和復用，但是只能利用回收助推器的一部分重新裝配后再進行發(fā)射，而且航天飛機成本高，維護周期長，背離了重復使用設計的初衷。SpaceX公司則是實現(xiàn)了整個火箭一子級的回收、復用和再次回收。盡管該公司還沒有明確重復使用能夠降低多少成本，但是伊隆·馬斯克在發(fā)射結束后的發(fā)布會上表示，使用回收火箭一子級的客戶肯定會得到優(yōu)惠，具體價格還在確定中，而且火箭一子級在常規(guī)維護后可復用10次，中等規(guī)模的維修后可復用100次，遠期目標是1000次，并希望把發(fā)射周轉時間降低到24h。因此，SpaceX公司的重復使用方案已經(jīng)在一定程度上達到了目標，而且隨著技術不斷成熟和穩(wěn)定，未來可能會憑借“獵鷹重型”火箭、“星際運輸系統(tǒng)”（ITS）等新型號進一步顛覆航天運輸領域。

其次，衛(wèi)星運營商可能更希望重復使用帶來更多的發(fā)射機會。歐洲通信公司的技術主管哈利維爾在發(fā)射前表示：“這不僅僅是關于價格問題。重復使用能夠降低價格嗎？我希望如此。但對于我們而言，重復使用還意味著進入空間機會的增加?！?017年歐洲通信公司將發(fā)射6顆地球同步軌道（GSO）通信衛(wèi)星和4顆中地球軌道（MEO）通信衛(wèi)星，需要的發(fā)射機會非常多，各種不確定性因素導致發(fā)射推遲的情況時有發(fā)生，例如獵鷹-9之前因爆炸事故停飛調查、“第聶伯”（Dnepr）火箭因政治因素暫停飛行、“天頂”（Zenit）火箭由于財務和多次失敗，發(fā)射服務已中斷多年。另外，該公司的下一顆衛(wèi)星（歐洲通信衛(wèi)星-15）還在庫魯?shù)却⒗锇?5（Ariane-5）的發(fā)射，因為阿里安航天公司位于庫魯?shù)墓鐏喣前l(fā)射場出現(xiàn)了大面積的罷工，已經(jīng)導致阿里安-5的發(fā)射推遲。所以，對于歐洲通信公司這類大型衛(wèi)星運營商而言，發(fā)射機會和發(fā)射價格同等重要，甚至發(fā)射機會可能顯得更重要。綜上所述，即便火箭的重復使用不能對價格產(chǎn)生顛覆性變革，但是如果能夠大幅縮短發(fā)射周期，帶來更多的發(fā)射機會，同樣也會為整個發(fā)射服務行業(yè)，甚至整個航天產(chǎn)業(yè)帶來更多的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

最后，SpaceX公司一直在不斷的嘗試和失敗中完成技術的快速迭代更新和積累，同時還在配套設施方面積極籌備和謀劃，隨時根據(jù)技術發(fā)展情況進行調整，逐步實現(xiàn)了火箭一子級重復使用的目標，這種技術研發(fā)的方式以及整體規(guī)劃上的靈活性非常值得借鑒。

毛凌野/本文編輯