文/田豐

2023 年7 月18 日，火箭實驗室公司（以下簡稱“公司”）的電子號小型運(yùn)載火箭執(zhí)行了其第39 次發(fā)射，此次發(fā)射中，火箭成功將7 顆小衛(wèi)星成功送入太陽同步軌道。但本次任務(wù)中最受關(guān)注的并不是載荷，而是公司首次采用“箭體傘降，緩降落海，船只打撈”的新方案嘗試回收火箭一級。

▲ 打撈電子號運(yùn)載火箭一級

回收方案大改“空接”變成“海撈”

“電子號”是一款高18 米，直徑1.2 米，起飛質(zhì)量12.5 噸，低軌運(yùn)力僅有300 千克的兩級小型運(yùn)載火箭。該火箭原始設(shè)計是傳統(tǒng)一次性運(yùn)載火箭，然而受近年來火箭回收風(fēng)潮的影響，公司于2019 年決定采用降落傘緩降+直升機(jī)空中捕獲的方式進(jìn)行回收?！半娮犹枴笔且后w運(yùn)載火箭，采用碳纖維復(fù)合材料貯箱，不同于航天飛機(jī)時代曾采用傘降落海回收的鋼殼固體助推器，落海的沖擊和水中的鹽分都有可能對“電子號”的貯箱、發(fā)動機(jī)和航電設(shè)備造成損傷和腐蝕，因此公司經(jīng)評估后一直力圖從空中“捕獲”火箭，從而減少復(fù)用翻修的工作量。

此后，經(jīng)過為期3 年的再入防熱、傘降控制、直升機(jī)跟蹤等各項實驗后，公司在2022 年兩次嘗試使用直升機(jī)機(jī)體下方的專用捕獲鉤“攔截”箭體。2022 年5 月的首次試驗中，直升機(jī)成功捕獲箭體，然后再將箭體投放至專用回收船上，但捕獲后直升機(jī)機(jī)組發(fā)現(xiàn)下方懸吊的箭體與之前模擬箭體重量不同，安全起見機(jī)組只能切斷繩索，讓箭體墜落水面，試驗宣告失敗。2022 年11 月，第二次試驗中因箭體遙測信號丟失，安全起見只得放棄回收，試驗再次失敗。

兩次失敗的試驗結(jié)果，加上對落海后打撈箭體的評估分析，2023 年公司毅然決定直接放棄高風(fēng)險的“空接”環(huán)節(jié)，直接在發(fā)射中嘗試“傘降緩落+海上打撈”的新回收模式。

此次發(fā)射的火箭升空約2 分30秒后，一二級按發(fā)射程序正常分離，二級點(diǎn)火后繼續(xù)正常執(zhí)行任務(wù)。而一級關(guān)機(jī)分離后開始下降，首先打開引導(dǎo)傘穩(wěn)定箭體姿態(tài)，隨后降落傘打開減緩箭體下落速度，同時攜帶的信標(biāo)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)送箭體坐標(biāo)。

箭體平穩(wěn)落水后，專用回收船將其成功打撈，公司宣布試驗成功，并表示打撈后的火箭一級狀態(tài)良好，不過尚不能給出實現(xiàn)重復(fù)使用時間表。在后續(xù)進(jìn)行若干次相關(guān)試驗后，有望在今年晚些時候先行實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的回收復(fù)用。

空接歷史“悠久”方案不斷迭代

在回收方式的迭代中，從“捕獲”向“打撈”轉(zhuǎn)變并非火箭實驗室公司的專利，太空探索技術(shù)公司在嘗試?yán)脦ЬW(wǎng)回收船捕獲獵鷹9 火箭整流罩的試驗過程中，也曾因捕獲難度高、氣象條件制約顯著，最終宣告放棄捕獲，改為落海后打撈。一項創(chuàng)新技術(shù)和模式，勢必在試驗過程中不斷嘗試和總結(jié)，在遭遇瓶頸和獲取足夠支撐數(shù)據(jù)時及時調(diào)整成新的可行方案是完全合理的。

不過縱觀航天史，用飛機(jī)從空中捕獲傘降物并非“技術(shù)突破”。早在冷戰(zhàn)時期美國國家偵察局研發(fā)“鎖眼”系列偵察衛(wèi)星時，限于當(dāng)時的技術(shù)水平，“鎖眼”早期型號的遙感圖像只能儲存在特制膠卷中，并放置在小型返回艙中，拍滿后返回艙與衛(wèi)星分離并再入大氣層。返回艙打開降落傘后即由帶有捕獲鉤的固定翼飛機(jī)在空中捕獲。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，空中捕獲方案受制于落區(qū)天氣、飛行員操作水平等不可控因素影響，回收成功率不足70%。而電子號火箭一級無論是體積、重量都遠(yuǎn)高于膠卷返回艙，回收難度更高，所以空接試驗屢屢失敗也在情理之中。

有“鎖眼”返回艙的“教訓(xùn)”在前，火箭實驗室公司為何還采用這種方案呢？業(yè)界普遍認(rèn)為這是火箭自身體量和技術(shù)水平掣肘下的無奈之舉。若采用“獵鷹9”垂直起降方案，不僅需增設(shè)多種設(shè)備，還需預(yù)留回收反推用推進(jìn)劑，使有效運(yùn)力驟減，這對運(yùn)力本就不大的“電子號”而言幾乎是不可行的。因此，公司不得不另辟蹊徑。此外，“電子號”采用電池驅(qū)動的電動泵循環(huán)，為減輕死重采用了上升段電池可拋的設(shè)計，如果改為垂直起降方案，發(fā)動機(jī)就必須重復(fù)啟動并維持工作；還有為保證反推時發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作，貯箱也需要額外的推進(jìn)劑沉底改造，這就不得不對“電子號”的原設(shè)計進(jìn)行大刀闊斧的修改。這些變更不僅有可能拖慢“電子號”的發(fā)射頻度，還有可能影響型號成功率。根據(jù)消息，“電子號”配備傘降回收設(shè)備將導(dǎo)致10%～15%的有效運(yùn)力損失，運(yùn)力下降幅度顯著小于垂直起降方案。

在2022 年兩次失敗的空中捕獲嘗試后，公司重新評估了其風(fēng)險和難度，尤其是空中捕獲失敗落海的火箭經(jīng)過打撈和評估后，公司認(rèn)為落海的火箭狀態(tài)仍可接受，甚至聲稱部分零部件已具備重復(fù)使用的條件。因此，2023 年3 月公司明確表示將放棄直升機(jī)空中捕獲的方案。而且公司還為火箭回收船增配了新的起重機(jī)和平臺，以減小將火箭從海面撈起時受損的可能。

單發(fā)復(fù)用小試牛刀

除了回收船的改進(jìn)，公司還在箭體結(jié)構(gòu)中加入了額外的防水材料，并強(qiáng)化了航電艙和發(fā)動機(jī)的密封結(jié)構(gòu)。公司認(rèn)為結(jié)合海況和任務(wù)性質(zhì)，僅有50%的發(fā)射可以開展空中捕獲，而改為落海打撈后則可提升至70%。公司表示雖然落?；厥諘?dǎo)致部分零部件無法復(fù)用，但是對比直升機(jī)空中捕獲的費(fèi)用和成本，兩者的經(jīng)濟(jì)性基本持平。此外，公司表示后續(xù)將根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和客戶要求，僅在部分任務(wù)中使用復(fù)用火箭。這一說法與2017 年“獵鷹9”剛開始復(fù)用發(fā)射后類似，但事實上隨著回收火箭可靠性的不斷累積，太空探索技術(shù)公司逐步擴(kuò)大復(fù)用火箭的適用范圍，現(xiàn)已在軍用、商業(yè)、載人任務(wù)中普遍使用復(fù)用火箭，單芯級最高復(fù)用次數(shù)已經(jīng)高達(dá)17 次，而全新火箭發(fā)射反倒成為稀罕事兒。

▲ 碳纖維貯箱試驗件

▲ 首次復(fù)用發(fā)動機(jī)發(fā)射，也是“電子號”第40 次發(fā)射

就在火箭實驗室公司宣布“空接”改“海撈”一個月后，8 月23 日，“火箭實驗室”又成功進(jìn)行了一次發(fā)射，將卡佩拉航天公司（Capella Space)的一顆空間雷達(dá)成像衛(wèi)星送入軌道。但此次發(fā)射最引人矚目的是電子號火箭一級9 臺“盧瑟福”發(fā)動機(jī)中，有一臺是之前泡水回收后翻修的復(fù)用發(fā)動機(jī)。這是人類航天史上第一次在軌道級發(fā)射中公開復(fù)用海水浸泡后翻修的發(fā)動機(jī)，打破了液體火箭發(fā)動機(jī)泡水不能復(fù)用的禁忌。

一般認(rèn)為液體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，被具有腐蝕性的海水浸沒后幾乎失去復(fù)用價值，此前從未有過液體火箭發(fā)動機(jī)被水泡后進(jìn)行翻修發(fā)射的記錄。但公司在實際打撈回收后，重新評估了發(fā)動機(jī)狀態(tài)，加之“盧瑟福”發(fā)動機(jī)本身“電動泵”循環(huán)的特殊結(jié)構(gòu)（沒有燃?xì)獍l(fā)生器），再加上額外的密封結(jié)構(gòu)，使之具備了水泡后重復(fù)使用的可能。公司表示，這臺復(fù)用發(fā)動機(jī)已經(jīng)過多次點(diǎn)火試車驗證，在此次發(fā)射中表現(xiàn)堪稱完美。

此次發(fā)射復(fù)用的發(fā)動機(jī)來自前文提及的2022 年5 月的發(fā)射，這次回收試驗中雖然切斷纜繩使火箭掉落海中，但最終還是被回收船成功打撈，發(fā)動機(jī)經(jīng)拆解檢查和翻修后用于此次任務(wù)。“火箭實驗室”表示，這次發(fā)動機(jī)復(fù)用發(fā)射為后續(xù)的一級整體復(fù)用提供了充足的信心。后續(xù)還將繼續(xù)摸索，年內(nèi)準(zhǔn)備復(fù)用整個水泡的火箭一級。但公司并未透露具體的時間表，僅表示將在年內(nèi)進(jìn)行。

新火箭改用垂直反推

雖然“火箭實驗室”在傘降回收模式上“漸入佳境”，但并不代表這家公司要在“傘降+打撈”模式上“一條路走到黑”。2022 年，“火箭實驗室”高調(diào)宣布研發(fā)名為“中子號”的新型火箭，該火箭高42.8 米，直徑7 米，起飛質(zhì)量480 噸。其體量遠(yuǎn)超現(xiàn)役的電子號火箭，隨之而來的就是“中子號”進(jìn)行傘降回收的難度陡增。因此公司在發(fā)布會上明確表示將采用類似“獵鷹9”的垂直起降方案。但為體現(xiàn)差異化，公司設(shè)計出超長的一級箭體，整流罩直接連接在一級頂端，形成了“罩箭一體”的方案，而火箭二級和載荷則被整體包裹在超長整流罩內(nèi)，變成了類似“半人馬”的“罩內(nèi)上面級”。如此一來，火箭一級和整流罩就可一次性整體降落在 回收平臺上，而不必分別實施回收。

▲ 安裝完翻修發(fā)動機(jī)后的一級，可見一臺發(fā)動機(jī)噴管顏色較深

▲ 盧瑟福電泵循環(huán)發(fā)動機(jī)

眾所周知，“火箭實驗室”是火箭回收“武林大會”中“傘降派”僅存的“獨(dú)苗”。但實際上公司目前真正的設(shè)計重心是早早皈依“反推派”的“中子號”，而目前傘降回收得到的試驗數(shù)據(jù)也在用于“中子號”的迭代設(shè)計中?！爸凶犹枴钡倪\(yùn)力區(qū)間恰好與如日中天的“獵鷹9”重疊，由此可見火箭實驗室公司對10 噸級載荷覬覦已久，“中子號”才是未來數(shù)年間公司傾力打造的主力火箭。自去年首次公布后，火箭實驗室公司不斷更新“中子號”的最新設(shè)計和進(jìn)展，足見其重視程度。

“中子號”的動力系統(tǒng)經(jīng)過多輪迭代，發(fā)動機(jī)配置模式與自家“電子號”如出一轍，全箭只采用一款代號“阿基米德”（Archimedean）的發(fā)動機(jī)，一級9 臺并聯(lián)，二級為1 臺真空版。但為配合垂直起降回收方案，推進(jìn)劑組合變?yōu)橛欣麖?fù)用的液氧甲烷組合。同時發(fā)動機(jī)推力大增，推進(jìn)劑的泵送功率需求也隨之大漲，而“盧瑟福”發(fā)動機(jī)的電動泵循環(huán)難以滿足要求，因此“阿基米德”放棄了自家招牌的電動泵，改為“傳統(tǒng)”的富氧分級燃燒循環(huán)（oxygen rich staged combustion）。公司宣稱該發(fā)動機(jī)并不追求極限性能，而是著眼于成本和可靠性，單機(jī)支持10～20 次發(fā)射。

除此之外，這次迭代還有4 點(diǎn)變化：首先是整箭的外形從前期的“水滴”形優(yōu)化為傳統(tǒng)的“雪茄”形，公司表示這是經(jīng)過氣動分析的改進(jìn)。而按照慣例，這種外形也有利于提高整箭干質(zhì)比。

其次是整流罩大幅縮短，從原設(shè)計的四瓣可開合式變成兩瓣可開合式。這樣，罩內(nèi)包絡(luò)的火箭二級和載荷就從“半人馬”式分離變成了“子彈出膛”式分離，需要在罩內(nèi)往前沖一段才能出罩，雖然會有碰撞風(fēng)險，但已有成熟方案進(jìn)行處理。該變更的優(yōu)勢很明顯，整流罩開合結(jié)構(gòu)明顯簡化，機(jī)構(gòu)更可靠，結(jié)構(gòu)重量也會下降。

此外，隨著整流罩開合部分縮短，控制翼面順勢前移，相當(dāng)于火箭的氣動中心前移了，可以更好地控制箭體姿態(tài)。

最后，著陸腿改成“獵鷹9”式的可開合形式，而非最初的固定式。雖然這會導(dǎo)致著陸機(jī)構(gòu)更重更復(fù)雜，但支腿展開面積更大，著陸裕度顯著增大。

此次更新后，公司也更新了不同回收模式下的運(yùn)力水平。返場回收的近地軌道運(yùn)力為8 噸，而海上回收模式為13 噸，一次性發(fā)射模式下15 噸。公司認(rèn)為返場回收是理想狀態(tài)，無需考慮一級的周轉(zhuǎn)周期，也無需動用回收船。但公司表示13 噸的近地軌道運(yùn)力是客戶綜合考慮后的最佳運(yùn)力區(qū)間，因此公司優(yōu)先以海上回收為藍(lán)本進(jìn)行設(shè)計。而更大的可展開著陸腿，正是為適應(yīng)海上回收時甲板會隨海浪晃動而做出的設(shè)計改進(jìn)。

“中子號”二級采用一次性設(shè)計，因此公司稱目前研發(fā)重心首先是降低成本，然后就是降低二級干重，二級每減少1千克重量都代表多攜帶1千克載荷。公司謹(jǐn)慎維持2024 年首飛中子號火箭的時間表，但不排除推遲的可能。

總的來說，“中子號”的設(shè)計從側(cè)面印證了“獵鷹9”式的垂直起降方案確實已經(jīng)成為近年來火箭回收的“標(biāo)準(zhǔn)范式”。即使是傘降回收領(lǐng)頭羊的火箭實驗室公司，也不得不在新火箭運(yùn)力躍升后改為垂直起降回收方式。但各廠家自己也在發(fā)力改善“獵鷹9”回收方案的一些不足之處，比如“獵鷹9”整流罩需要單獨(dú)回收這一點(diǎn)就被火箭實驗室公司看在眼里，提出了全新的“罩箭一體”方案。這一方案如果成功，相對于“獵鷹9”，將徹底免去大海上撈整流罩的操作，進(jìn)一步提高火箭的可回收比例，不失為一種新的思路。

總的來講，“電子號”傘降回收的這輪優(yōu)化迭代不失為火箭復(fù)用領(lǐng)域的一次有益嘗試，尤其是對水泡發(fā)動機(jī)的翻修和復(fù)用，更是打破了火箭回收的思維定式。正所謂“一枝獨(dú)秀不是春，百花齊放春滿園”，越來越多的火箭回收方式使復(fù)用理念得到了前所未有的普及。

作為一家同時使用“傘降海撈”和“垂直起降”兩種回收方案的公司，對兩種回收方式的優(yōu)劣可能深有體會。

傘降回收有投入少技術(shù)門檻低的顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其是擺脫對發(fā)動機(jī)深度節(jié)流、多次啟動、著陸緩沖機(jī)構(gòu)、柵格舵和飛控算法的等關(guān)鍵技術(shù)的需求。理論上傘降回收僅需傘艙、定位信標(biāo)和一艘回收船即可開展。但傘降回收的缺點(diǎn)也顯而易見，其對火箭自身規(guī)模、海況、安全性的限制，使其短期只能在中小型火箭上應(yīng)用，難以撼動已經(jīng)成熟的垂直起降回收方案。

自2015 年12 月“獵鷹9”首次成功回收算起，垂直反推方案經(jīng)過太空探索技術(shù)公司長達(dá)8 年的摸索、完善、打磨，已經(jīng)成為一套成熟完善且降本效果顯著直接的回收模式。尤其可貴的是，它保持了復(fù)用火箭發(fā)射成功率100%的紀(jì)錄。雖然其對火箭自身動力、防熱、飛控、材料等的嚴(yán)苛要求使這一方案至今仍無第二家能夠完成，但垂直反推模式已經(jīng)被俄、歐、日、中等國所接納和采用。而且，該方案在“星艦”上的成功運(yùn)用更顯示了反推回收方案對火箭體量的強(qiáng)大適應(yīng)性。“中子號”能否成為垂直反推回收陣營的第二位實踐者，讓我們拭目以待。