文/ 王瑞 楊開

▲ 兩架直升機(jī)飛到預(yù)定高度,一架直升機(jī)搭載了測(cè)試用的火箭一子級(jí)的模擬件，另一架直升機(jī)安裝了抓取用的捕獲機(jī)構(gòu)

▲ 模擬一子級(jí)從高空釋放，降落傘打開

▲ 安裝捕獲機(jī)鉤的直升機(jī)瞄準(zhǔn)，準(zhǔn)備捕獲

2020 年4 月8 日，火箭實(shí)驗(yàn)室公司宣布成功測(cè)試了其在半空中抓住從天而降的電子號(hào)火箭第一級(jí)的能力，從而向?qū)崿F(xiàn)該級(jí)回收和重復(fù)使用邁出了關(guān)鍵一步。該公司稱，3 月初在新西蘭進(jìn)行的一次試驗(yàn)中，一架直升機(jī)把電子號(hào)火箭第一級(jí)的一件復(fù)制品帶到了空中并予以投放。該級(jí)隨后展開了一部降落傘，爾后在約1524 米的高空配備了抓鉤的另一架直升機(jī)鉤住了降落傘。這架直升機(jī)最后掛載著火箭返航著陸。

發(fā)展出現(xiàn)瓶頸 產(chǎn)能需求提高

火箭實(shí)驗(yàn)室作為商業(yè)小型運(yùn)載火箭研制和小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，自2017 年以來，已經(jīng)使用其自主研制的電子號(hào)兩級(jí)液氧/煤油火箭完成了11 次發(fā)射任務(wù)，除首次發(fā)射因地面設(shè)備故障導(dǎo)致失敗以外，已經(jīng)連續(xù)成功發(fā)射10 次，累計(jì)將40 多顆微/小航天器送入預(yù)定軌道。

自公司成立以來，火箭實(shí)驗(yàn)室瞄準(zhǔn)了為小衛(wèi)星提供快速進(jìn)入空間的能力，其目標(biāo)是每周進(jìn)行1 次發(fā)射。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，火箭實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)大自身產(chǎn)能，于2018 年在新西蘭建設(shè)了新的火箭制造工廠，引入自動(dòng)化制造設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，具備每月生產(chǎn)1 枚電子號(hào)火箭的能力。同時(shí)，火箭實(shí)驗(yàn)室配套建設(shè)新的發(fā)射設(shè)施，在新西蘭瑪西亞半島發(fā)射場(chǎng)內(nèi)建設(shè)第二個(gè)發(fā)射臺(tái)，在美國沃勒普斯建設(shè)新的2 號(hào)發(fā)射設(shè)施。到2020 年底，火箭實(shí)驗(yàn)室將擁有3 個(gè)發(fā)射臺(tái)，具備同時(shí)實(shí)施3 枚電子號(hào)火箭發(fā)射的能力。除了產(chǎn)能和配套的發(fā)射設(shè)施外，火箭實(shí)驗(yàn)室還從美國聯(lián)邦航空局的商業(yè)航天運(yùn)輸辦公室獲得了為期5 年的發(fā)射許可，可開展多次電子號(hào)火箭的發(fā)射，保證在政策法規(guī)流程上開展快速發(fā)射的可行性。

一子級(jí)回收三步走

盡管火箭實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在很大程度上提升了自身產(chǎn)能，但是距離每周發(fā)射1 次的目標(biāo)還有很大差距，為了彌補(bǔ)產(chǎn)能不足，火箭實(shí)驗(yàn)室提出了“一子級(jí)回收計(jì)劃”，通過復(fù)用火箭一子級(jí)，實(shí)現(xiàn)硬件的快速周轉(zhuǎn)。而火箭實(shí)驗(yàn)室的火箭復(fù)用是通過一子級(jí)傘降回收來實(shí)現(xiàn)。

第一步，利用再入制導(dǎo)控制確保一子級(jí)結(jié)構(gòu)完整性

和太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9”火箭一子級(jí)自帶動(dòng)力返回方案不同，電子號(hào)火箭一子級(jí)沒有進(jìn)行再入反推減速，而是通過調(diào)整姿態(tài)，將熱防護(hù)部位朝下，應(yīng)對(duì)再入過程中嚴(yán)苛的熱環(huán)境。這種再入方式下的力熱載荷會(huì)對(duì)一子級(jí)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響，火箭實(shí)驗(yàn)室將這一過程形象地稱為穿“墻”。為保證順利穿“墻”，需要通過制導(dǎo)控制對(duì)飛行姿態(tài)和再入路徑進(jìn)行調(diào)整，以保證一子級(jí)結(jié)構(gòu)的完整性。根據(jù)“火箭實(shí)驗(yàn)室”公布的信息，電子號(hào)一子級(jí)再入過程中采用反作用控制系統(tǒng)（RCS）作為制導(dǎo)控制的主要手段，該系統(tǒng)使用冷氣推力器。

2019 年12 月，電子號(hào)火箭在成功執(zhí)行其第10 次發(fā)射任務(wù)時(shí)，首次嘗試進(jìn)行“一子級(jí)再入”試驗(yàn)。本次試驗(yàn)并沒有對(duì)一子級(jí)進(jìn)行回收，而是在火箭上增加了新的飛行計(jì)算機(jī)和S 波段遙測(cè)技術(shù)，收集一子級(jí)再入大氣層時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)。發(fā)射結(jié)束后，“火箭實(shí)驗(yàn)室”也發(fā)布消息稱：電子號(hào)火箭一子級(jí)完美穿“墻”，遙測(cè)信號(hào)直到海平面才斷掉。

2020 年1 月，火箭實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行第11次發(fā)射時(shí)，再次嘗試進(jìn)行“一子級(jí)再入”試驗(yàn)，與第一次再入實(shí)驗(yàn)一樣，火箭一子級(jí)成功完好再入，直到撞上海平面。

第二步，利用降落傘實(shí)現(xiàn)一子級(jí)減速

▲ 接近目標(biāo)，嘗試“空中捕獲”

▲ 成功捕獲模擬一子級(jí)

▲ 返航

▲ 安裝捕獲機(jī)鉤的直升機(jī)瞄準(zhǔn)，準(zhǔn)備捕獲

▲ 火箭實(shí)驗(yàn)室公司首席執(zhí)行官彼得·貝克

“火箭實(shí)驗(yàn)室”在成功進(jìn)行再入制導(dǎo)控制技術(shù)的驗(yàn)證后，短期內(nèi)不會(huì)再對(duì)一子級(jí)再入過程進(jìn)行干預(yù)，而是將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到降落傘上，因?yàn)殡娮犹?hào)火箭一子級(jí)完成大氣層再入后，需要展開降落傘進(jìn)行減速，目標(biāo)是將一子級(jí)下降速度從每小時(shí)7000 公里降到每小時(shí)900 公里?！盎鸺龑?shí)驗(yàn)室”的首席執(zhí)行官彼得·貝克在2020 年2 月時(shí)表示已經(jīng)完成首個(gè)降落傘系統(tǒng)的原型。相比再入過程的制導(dǎo)控制，利用降落傘進(jìn)行減速則相對(duì)簡單，不涉及復(fù)雜的控制技術(shù)，重點(diǎn)是將成熟的降落傘技術(shù)集成到一子級(jí)上。

目前，“火箭實(shí)驗(yàn)室”正在對(duì)一子級(jí)進(jìn)行改進(jìn)，把降落傘系統(tǒng)集成進(jìn)去。彼得·貝克表示，2020 年的第7次或者第8 次任務(wù)（“電子號(hào)”總的第17、18 次發(fā)射）中，電子號(hào)火箭一子級(jí)將安裝降落傘，降落傘在約6 公里的高度展開，完成減速效果驗(yàn)證后，濺落到海面上進(jìn)行回收。

第三步，利用直升機(jī)捕獲，實(shí)現(xiàn)一子級(jí)回收

如果第二步利用降落傘減速的過程順利，最后一步就是在空中捕獲使用降落傘減速的一子級(jí)，其難點(diǎn)是：半空精確抓捕。

2020 年3 月初，火箭實(shí)驗(yàn)室公司向火箭回收和重復(fù)使用邁出了關(guān)鍵一步，成功測(cè)試了空中捕獲電子號(hào)火箭一子級(jí)的能力。此次試驗(yàn)是在新西蘭因疫情而戒嚴(yán)之前進(jìn)行的，由兩架直升機(jī)參與測(cè)試試驗(yàn)。這兩架直升機(jī)分別部署在2438 米高空和1524 米高空。一架直升機(jī)下方掛載模擬一子級(jí)，在2438米的高度釋放該模擬件。釋放后，模擬一子級(jí)上的降落傘成功展開，使其緩慢下降。而安裝捕獲裝置的直升機(jī)在大約1524 米的高度成功捕獲模擬件。本次測(cè)試試驗(yàn)是“火箭實(shí)驗(yàn)室”首次嘗試直升機(jī)空中捕獲。

后續(xù)，在實(shí)際的發(fā)射任務(wù)中，火箭實(shí)驗(yàn)室公司進(jìn)行一子級(jí)回收時(shí)，一子級(jí)自帶的降落傘將在距地面約6096 米處打開，這意味著直升機(jī)飛行員有20分鐘左右的時(shí)間在空中嘗試捕獲，如果失敗，一子級(jí)就會(huì)墜入海中。為了增大成功率，公司將進(jìn)行預(yù)判，預(yù)先將直升機(jī)停在捕獲位置。

本次捕獲試驗(yàn)的成功，也標(biāo)志著“一子級(jí)回收計(jì)劃”中的第三步是可以實(shí)現(xiàn)的，并非空想。

▲ 電子號(hào)火箭

▲ 電子號(hào)火箭整流罩上美國宇航局的標(biāo)識(shí)

▲ 火箭實(shí)驗(yàn)公司和太空探索技術(shù)公司兩種不同的火箭回收方式

▲ 沃勒普斯發(fā)射場(chǎng)內(nèi)2 號(hào)發(fā)射設(shè)施

“火箭實(shí)驗(yàn)室”與太空探索技術(shù)公司回收比較

如果“火箭實(shí)驗(yàn)室”的“一子級(jí)回收”成功的話，意味著火箭實(shí)驗(yàn)室就成為繼太空探索技術(shù)公司后，美國第二家掌握回收技術(shù)的私營商業(yè)公司，但這兩家公司的火箭回收方式實(shí)有不同。

回收方式不同

太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9”火箭一子級(jí)回收方式是垂直回收，即：一子級(jí)在降落過程中，導(dǎo)航器會(huì)進(jìn)行引導(dǎo)，間歇點(diǎn)火，逐漸使一子級(jí)下降，最后在著陸前，一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反推力，將相對(duì)速度降至接近0 的狀態(tài)，最終使用四個(gè)支架平穩(wěn)著陸。

而火箭實(shí)驗(yàn)室公司則是使用直升機(jī)來對(duì)火箭一子級(jí)進(jìn)行回收。這里還要說明的一點(diǎn)就是，用直升機(jī)來回收火箭一子級(jí)，天氣因素是不得不考慮的重要條件，但火箭實(shí)驗(yàn)室公司有自己的發(fā)射場(chǎng)，想什么時(shí)候發(fā)火箭就什么時(shí)候發(fā)，就憑這一點(diǎn)，也足夠讓其他公司羨慕不已。

回收目的不同

太空探索技術(shù)公司重復(fù)使用火箭一子級(jí)是為了降低生產(chǎn)成本，而“火箭實(shí)驗(yàn)室”發(fā)展“一子級(jí)回收”技術(shù)的目的是為了加快發(fā)射頻率。正如“火箭實(shí)驗(yàn)室”對(duì)外宣稱的，生產(chǎn)火箭的時(shí)間太長，一枚火箭需要花費(fèi)將近30 天的時(shí)間才能完成，這有悖于公司“進(jìn)行快速的火箭發(fā)射，提高發(fā)射頻率”的目標(biāo)。公司發(fā)展一子級(jí)回收技術(shù)，通過一子級(jí)翻新和重復(fù)使用減輕工廠的生產(chǎn)壓力，可以更頻繁地進(jìn)行發(fā)射，同時(shí)降低每次發(fā)射任務(wù)的生產(chǎn)成本。

▲ 新西蘭瑪西亞半島發(fā)射場(chǎng)

回收技術(shù)不同

電子號(hào)火箭一子級(jí)使用的下降技術(shù)為“火箭實(shí)驗(yàn)室”獨(dú)有，它被稱為“航空熱減速”技術(shù)，本質(zhì)上是利用地球大氣的摩擦力來使一子級(jí)減速。下降到一定位置后，一子級(jí)自帶的降落傘將在頂部展開，使其進(jìn)一步減速，最終直升機(jī)會(huì)在下降過程中，在空中對(duì)其進(jìn)行抓取捕獲。為了確?；厥粘晒Γ盎鸺龑?shí)驗(yàn)室”也在后勤保障上做足準(zhǔn)備，公司有2 艘大船、1 艘回收船和3 架直升機(jī)。

作為商業(yè)小運(yùn)載企業(yè)的領(lǐng)跑者，“火箭實(shí)驗(yàn)室”的發(fā)展勢(shì)頭一直很好，從沒遇到過資金短缺問題。公司從2006 年開始運(yùn)營，一共進(jìn)行過5 輪融資，最近一次融資是在2018 年11 月，融得1.4 億美元，目前大部分資金還在公司賬戶里，并沒有使用。此外，由于“火箭實(shí)驗(yàn)室”運(yùn)營情況良好，除了私營商業(yè)公司不斷的與其簽訂發(fā)射合同外，更有美國偵查局、美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局、美國空軍、美國宇航局等政府機(jī)構(gòu)與其簽訂發(fā)射訂單。

本次“空中捕獲”試驗(yàn)的成功，意味著“火箭實(shí)驗(yàn)室”的“一子級(jí)回收”計(jì)劃已經(jīng)成功進(jìn)行了2/3。待“一子級(jí)回收計(jì)劃”實(shí)施后，可以使“火箭實(shí)驗(yàn)室”的發(fā)射頻率加快，減少生產(chǎn)成本，使公司將更多的精力投入到新產(chǎn)品的研制中，成為名副其實(shí)的多元化航天公司。