回收獵鷹-9火箭那些事

回收獵鷹-9火箭那些事

眾所周知，目前的運載火箭都是一次性使用的，所以長久以來，航天發射成本居高不下，發送質量1kg物質上天的成本約為1萬～2萬美元。比如，美國的獵鷹-9火箭總造價約為5000萬美元，而其推進劑的成本只有20萬美元。因此，打造獵鷹-9火箭的美國太空探索技術公司自設計之初就一直在研究如何回收以及重復使用獵鷹-9火箭的有關技術，以大大降低成本。如果能回收并重復使用火箭的第一級，可降低火箭成本80%；如果第二級也能回收并重復使用，可降低火箭成本99%。今年1月、2月，美國太空探索技術公司先后進行了2次大膽的嘗試，其2枚獵鷹-9火箭在分別完成了發射的主任務后，都進行了第一級火箭的回收試驗，但均功虧一簣。盡管如此，還是取得了不少寶貴經驗，讓人們看到了回收火箭的希望。

1 這種火箭不一般

獵鷹-9火箭和它所發射的“龍”飛船都是由美國太空探索技術公司研制的，用于商業載人天地往返運輸。其中獵鷹-9火箭從2002年開始研制，設計理念是簡化結構，消除或將故障最少化；主要特點是高可靠、低成本和快響應；最終目標是打造成世界第1 種2級可重復使用運載火箭。

它是一種采用液氧/煤油作為推進劑的兩級火箭，總高68.4m，直徑3.7m，有三種構型，一種是安裝5.2m直徑整流罩，用于發射衛星；另一種是用于發射 “龍”飛船；還有一種是大型運載火箭，即在獵鷹-9的基礎上捆綁2臺液體助推器（由獵鷹-9第一級改進而成），用于發射大型航天器。獵鷹-9系列火箭的近地軌道運載能力9.9～32t, 地球同步轉移軌道運載能力4.9～19.5t。

該火箭的電子設備具備單點故障冗余能力，這主要是通過廣泛使用三重冗余設計而實現，包括三重冗余飛行計算機、發動機計算機和閥門控制器。其制導導航和控制功能采用GPS和慣性測量裝置等方面技術。

其第一級安裝了9臺隼-1C發動機，目的是在第一級火箭飛行過程中，即使單臺發動機從始至終未能點火工作，或在第一級工作末期多臺發動機關機時，獵鷹-9火箭仍能完成發射任務，這是一大創新，并已被實踐證明是可行的。隼-1C是一種再生冷卻、泵壓式燃氣發生器循環火箭發動機，每臺發動機的推力約600kN，比沖約300s，具有高可靠性和低成本的特點。另外，即使獵鷹-9火箭在發射臺上點火后，仍會被系留在發射臺上2.5s，以監測每臺發動機的健康狀況。如果檢測到異常，可中止發射任務。

其第二級由單臺隼-1C真空發動機提供動力。除改用了性能優化的加大直徑、膨脹比高的鈮合金噴管外，它幾乎與第一級的隼-1C發動機完全一樣，節流能力強，可將發動機的推力調節至額定推力的60%～100%，使得火箭能夠降低有效載荷的加速度，更加精確地將其送入預定軌道。

隼-1C發動機的“心臟”采用低成本針栓式噴注器，它的應用使發動機變得堅固和簡單。該噴注器易于制造且廉價，包含的零部件數量也非常少，具有抗噪性好、對環境要求不高、在大范圍的操作環境下穩定性好的特點。另外，其推進劑貯箱由鋁鋰合金制成，它比傳統的鋁質推進劑貯箱質量更輕且剛度更強。獵鷹-9火箭頂端和外層也全部采用超強度鋁鋰合金材料制造，且增加了特制的防熱板，用以保護火箭在重返地球大氣層時免遭損壞。

太空探索技術公司的發射操作原則是顯著地減少操作人員以及在發射場消耗的時間，所以發射獵鷹-9火箭時操作既簡單又高效，并具有較高的成本效率。其標稱的發射操作時間為16天（從火箭運抵發射場開始）。

為了滿足載人飛行的要求，獵鷹-9火箭主結構的安全系數高達1.40（一般火箭為1.25）。其發動機及其布局也提升了火箭的可靠性。

由于價格便宜，可靠性高，能以每次5 0 0 0萬～6000萬美元的發射價格支持航天發射任務，所以獵鷹-9火箭現在已獲得大量航天器發射訂單，供不應求。

獵鷹-9v1.1火箭第一級的9臺發動機

2 兩次回收都惜敗

2015年1月10日，美國獵鷹-9火箭進行了2015年世界航天的首次發射。此次發射有兩大任務：一是把第5艘載貨型“龍”飛船送入太空，為“國際空間站”運送補給物資；二是首次試驗用海上浮動回收平臺回收獵鷹-9火箭的第一級。結果，第一項任務順利完成，但第二項任務功敗垂成，火箭的第一級雖然垂直降落在預先準備的海上浮動回收平臺上，但是沒能軟著陸，結果使第一級火箭和平臺都有不同程度的損毀。

這次發射的第二項任務雖是次要任務，但更加令人關注，因為是首次回收獵鷹-9火箭的第一級到海上浮動回收平臺上。其成功的標準是第一級火箭要能證明火箭上的著陸支架對火箭上升段沒有影響；要能分3次重啟主發動機來制動減速；要能用氮推力器實現第一級垂直返回的姿態控制；要能成功打開著陸支架；要能以接近零的速度精確著陸在指定的海上浮動回收平臺上。該平臺全稱為“自主航天港無人駕駛船”（ASDS），位于距離發射場600km的海面著陸區域。它不僅是一個浮動平臺，面積為91m×52m，猶如一個足球場大，并裝有用于穩定獲移動的推力器，可自主航行到降落海域。這個由深海石油鉆井平臺基礎上改進而成的平臺即使遇到一些風浪，其位置保持精度也能控制在3m以內，它未來還將具備為回收的第一級火箭加注燃料的能力，以便重復使用。

另外，回收火箭還能保障地面人員和財產的安全，因為現在的火箭發射時那些被拋下的部件中，除了第三級火箭外，其他部件會因為高度不足，無法完全燃燒而成為殘骸降落到地面或水面，這樣就不可避免地會有火箭殘骸落入民居損壞財物，甚至傷人。回收火箭也可以保護環境，因為一些火箭的燃料是有毒的，每次發射后會殘留一些，這些殘留燃料會隨著火箭落地而污染環境。如果能回收第一級甚至第二級火箭，就可使火箭殘骸不會砸在地面和水中完全解體，也就不會讓剩余燃料更多地污染環境。

所以，回收火箭意義重大，但風險也很大。不過萬事開頭難，這次獵鷹-9火箭的第一級雖落在海上浮動回收平臺上了，但它在最后關頭出現失控，使火箭以大約45°角一頭撞上海上浮動回收平臺并發生劇烈爆炸，造成平臺部分輔助設施損毀。失敗主要的原因是火箭液壓油不足，從而導致其4個穩定柵格翼無法有效發揮作用。

雖然首次回收獵鷹-9火箭的第一級沒有成功，但太空探索技術公司并不氣餒，而早有思想準備。事前，該公司老板馬斯克（Musk)就對外表示，首次回收火箭的成功率不到50%，他準備進行10多次回收試驗。

2月12日，在獵鷹-9火箭進行今年第二次發射時，又進行了回收該火箭第一級的試驗。此次發射的主任務是把一顆被擱置十余年的“深空氣候觀測臺”（DSCOVR）送入距離地球1500000km的地日拉格朗日1點，這也是太空探索技術公司首次執行深空任務。主任務完成的很順利，但原計劃中更引人注目的使第一級火箭在海上浮動回收平臺“精準著陸”的試驗，卻因大風作怪改為技術難度相對低一些的在海上軟著陸試驗，但取得了成功。

回收獵鷹-9火箭的第一級到海上浮動回收平臺

發射前，太空探索技術公司就發表聲明說，由于海上天氣特別惡劣，掀起的海浪有3層樓高，海上浮動回收平臺無法在這樣的天氣條件下工作，而且該平臺的4臺發動機中也只有3臺工作，因而導致平臺無法固定，為此取消了在海上浮動回收平臺的軟著陸試驗，改為在海上軟著陸。原以為由于風太大，海浪有三層樓高，即使在海上軟著陸，成功率也不到1%，但沒想到卻取得了成功?；鸺谝患壴诖笪餮蠛Ｃ娉晒崿F軟著陸，著陸精度在10m以內，第一級以完美的狀態垂直入海。充分表明在天氣狀況好的情況下，火箭第一級完全有能力在海上浮動回收平臺上實現軟著陸。

之所以要在大風條件下發射，是因為此前已因技術和天氣原因推遲了2次發射，如果再推遲，由于月球的位置關系，“深空氣候觀測臺”衛星的發射窗口要等到2月20日之后才有。

這次回收試驗汲取了首次測試失敗的經驗教訓，在獵鷹-9火箭的推進器中多加了50%的液壓油量，以確保火箭在返回地球時能夠擁有足夠的使用余量。

美國太空探索技術公司今年有17次火箭發射計劃，因此，該公司將有足夠多的機會來嘗試進行火箭回收工作。

在馬斯克的設想中，火箭自主降落技術除了能夠用于回收發動機外，還能實現火星表面軟著陸，未來開發的載人火星飛船將通過這個技術降落在火星表面。

“深空氣候觀測臺”被送入地日拉格朗日1點

3 三大技術是關鍵

要實現運載火箭的可重復使用，回收技術是關鍵。據權威專家介紹，目前火箭回收技術有4種方案：第一種是降落傘垂直下降方案，即在火箭分離后先進行空中制動變軌進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，最后打開氣囊或用緩沖發動機著陸。第二種是動力反推垂直下降方案，其空中變軌制動同第一種，但在低空采用發動機反推減速，以垂直下降方式降落地面，美國獵鷹-9火箭采用這種方案。第三種是無動力滑翔飛行水平降落方案，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭依靠翼身的氣動力滑翔飛行，像飛機一樣水平降落返回地面。第四種是有動力滑翔水平降落方案，即箭體采用裝有渦噴發動機的翼式飛行體，在返回地面過程中啟動渦噴發動機進行巡航機動飛行，可實現更大范圍的回收區選擇。

美國航天飛機是目前世界上唯一實現可回收的航天運輸器，并能部分重復使用。它由助推器、軌道器和外貯箱三大部分組成。助推器相當于運載火箭的第一級，它在分離后飛行速度不大，所以沒進行空中變軌制動，回收采用降落傘垂直下降方案。軌道器相當于運載火箭第二級，飛行速度較大，在返回地球大氣層之前進行了變軌制動來降低飛行速度并改變飛行方向（調整姿態返回），航天飛機軌道器是翼式飛行體，回收采用無動力滑翔飛行水平降落方案，它能像飛機一樣水平滑翔降落于預定回收地點的機場跑道上。外貯箱是一次性使用，不回收。美國航天飛機在回收技術上取得了巨大成功，但由于風險大、費用高而退役了。

其實，早在20世紀90年底，美國麥道公司就開始用“三角快帆”（又叫“德爾他快帆”）飛行器試驗動力反推垂直下降技術。“三角快帆”是世界上第1個以火箭發動機為動力、垂直起降的完全重復使用運載器。它進行了4次飛行試驗，最大飛行高度3155m，然后像直升機一樣，用4臺小發動機反推減速，最終達到平穩著陸的目的。后來由于在第4次飛行試驗中“三角快帆”被燒毀，使該計劃提前結束。不過，“三角快帆”的垂直起降試驗表明，火箭采用動力反推垂直下降技術是可行的。然而，要實現運載火箭的垂直起降需攻克三大關鍵技術。

第一是控制火箭姿態。因為越是細長的東西，越不好控制其姿態，要使細長的箭體垂直精確著陸在指定地點就更難。在返回過程中，獵鷹-9第一級火箭是通過箭上的液氮推力器來調整姿態的，以應對氣動扭矩和旋轉的影響，使其幾乎沒有任何滾轉，在降落過程中一直與地面保持垂直狀態。有人形容其難度猶如“在狂風中讓掃帚柄直立于手掌上”。另外，箭體上還有4個可展開的側翼，它用于通過GPS衛星制導來協助控制火箭朝平臺降落，使其最終落地的精度在10m以內。2015年1月10日的這次返回，獵鷹-9火箭第一級的落點相當準確。

世界上第1個以火箭發動機為動力、垂直起降的完全重復使用運載器“三角快帆”

獵鷹-9火箭第一級接近回收平臺時展開著陸支架

第二是火箭發動機要具有推力可調和多次啟動的功能。為了動力反推，火箭多帶了一些燃料。在第一級返回的不同高度，火箭質量會隨著燃料快速消耗而明顯減小，所以其反推發動機需要采用不同大小的推力，以實現軟著陸。獵鷹-9是通過部分主發動機2次點火制動來減速的。在火箭主發動機的控制軟件中設置了矢量推力點，它能控制火箭的下落速度。在火箭升空約3min時，其第一級與第二級火箭分離，然后第一次重啟部分主發動機，以降低第一級的降落速度，使其能夠降落到距離卡納維拉爾角數百km的太平洋海面；當第一級火箭快要落入大西洋時，再重啟它的另一臺發動機，以進一步減速。最終要使火箭的速度由初始的1300m/s減到2m/s。另外，在第一級接近海上浮動回收平臺前，安裝在第一級底部的四個著陸支架要打開，它由碳纖維和鋁蜂窩板制成，高約 7.62m，帶有液壓減震器，可進一步減少垂直著陸時的巨大沖擊，從而在回收平臺上軟著陸。著陸后8s內，箭上計算機仍要不斷傳回信號，直至第一級呈現水平狀態時為止。在2015年1月10日第一級的回落過程中，獵鷹-9很可能沒有控制好速度，導致了其與回收平臺發生碰撞。

第三是火箭發動機要能重復使用，且每次飛行后只需經過簡單維修和加注燃料就能再次發射。目前的運載火箭發動機都是一次性使用的，只有航天飛機實現了部分重復使用。航天飛機的軌道器可重復使用100次，軌道器上的主發動機可重復使用50次，固體助推火箭可重復使用20次。但航天飛機的軌道器在每次飛行后，要經過幾個月的維修并耗費大量資金，因而沒能降低成本。所以，必須研制出能像普通飛機發動機那樣可重復使用的火箭發動機，且每次回收后的維修成本和時間必須很少才行。

獵鷹-9火箭第一級的四個著陸支架

“蚱蜢”火箭成功垂直著陸

4 探索鑄就新輝煌

雖然頭2次回收獵鷹-9第一級火箭到回收平臺上的試驗都失敗了，但這也在預料之中。美國太空探索技術公司的CEO馬斯克在發射前就表示，回收的成功率不會超過50%。第1次回收失敗后馬斯克說，回收接近成功，但最終功虧一簣，希望將來一切都好。太空探索技術公司今后還將進行多次發射試驗。想當年，馬斯科剛開始試射獵鷹-1火箭時曾連續3次發射失敗，導致很多人都懷疑民營航天公司的能力，但他還是堅定不移，結果第4次發射獲得了成功。此后發射的獵鷹-9火箭全部獲得成功。正是這種不怕失敗的科學探索精神成就了該公司的宏圖偉業。

其實此前，太空探索技術公司已進行過大量的火箭動力反推垂直下降試驗，其中包括多次發射只裝有1臺隼-1D發動機的“蚱蜢”火箭，其第一次回收時的飛行高度為73m，然后成功著陸；此后回收時的飛行高度逐步增加，現已達到744m,都回收成功。其回收高度今后有可能依次增到1524m、2286m、3505m等。

2010年首次發射獵鷹-9火箭時，曾配備了降落傘以減緩第一級落入海洋時的速度，但第一級火箭沒能挺過再入大氣層時遭遇的空氣阻力。2013 年 9月，升級之后的獵鷹-9v1.1火箭在首次執行發射任務時，曾經嘗試過在水上回收第一級火箭，但由于發動機燃料供應不足，從而使火箭第一級砸在水面上而四分五裂。在2014年4月試驗中，獵鷹-9第一級回收時已能降至懸停程度，成功地實現了歷史上第一次火箭的軟著陸，但該火箭隨后在公海上側翻并毀壞，以至無法修復。在2014年7月的試驗中，對獵鷹-9第一級火箭進行了“軟著陸”測試，即在它接近海平面時被調整成水平方向，目的是希望可以完好無損地回收，但海水破壞了箭體，因而也無法重復使用。在這些回收試驗中，回收的著陸精度在10km以內;而在2015年1月10日的回收試驗中，著陸精度要求為10m，因為火箭第一級要落在海上浮動回收平臺上。

華盛頓大學空間研究院教授羅杰斯頓(Logsdon)認為，可重復使用火箭極具吸引力，因為它可使每次發射的費用大大降低，這就意味著能設計比現在便宜得多的衛星，而不必再花費大量資金來確保其長壽命的工作狀態，因為發射費用很便宜，如果衛星壞了，再發射一顆填補空缺便是?！庇鹚诡D大學火箭實驗室主管貝克(Baker)博士也有同感，他表示，如果能夠將火箭發射費用成功降低50%以上，那么更多的太空應用將會變得可能。

也有人擔心獵鷹-9重蹈航天飛機覆轍。當年研制航天飛機的初衷也是通過研制可重復使用航天器來降低費用，然而航天飛機技術和維護的極度復雜性讓這種成本節約的初衷完全成了泡影。歐洲咨詢公司的維蘭(Villain)認為：“火箭發射市場的客戶們并不關心火箭的可重復使用性，他們要的是在盡可能便宜的情況下實現高可靠的發射服務。”她說：“可重復使用性是服務提供方面臨的問題，而不是客戶面臨的問題。衛星運營方一般而言只有三個大的要求：按時，保質，價格合理。”美國洛馬公司發射服務部主管克利夫（Cleave）表示，回收火箭是一個天方夜譚。因為回收火箭涉及材料科學、控制，還涉及運行效率。關鍵是要回收任何物質，就得把更多的物體和重量發射入軌。這必須對物理定律作更多的研究才能做到。

但不管怎樣，美國太空探索技術回收運載火箭的試驗已經邁出了堅實的第一步，成功地攪動了火箭工業界。即使不重復使用，獵鷹-9的發射成本也很低，并可提供全套的發射服務，包括任務綜合費用、發射場費用和附加費用。這些已讓傳統火箭發射的供應商感到威脅，為此歐洲在2014年決定開始研發下一代新型火箭阿里安-6，以提供具有競爭力的價格，但該火箭仍是一次性使用的。如果今后獵鷹-9可以重復使用了，那么一切都不再話下?；厥栈鸺烤故翘旆揭棺T還是一種可以實現的夢想呢？也許現在是天方夜譚，未來未必就是天方夜譚。

發射獵鷹-9v1.1火箭

5 未來前景更廣闊

今后，太空探索技術公司還將試驗回收獵鷹-9火第二級的技術。其第一級由亞軌道垂直返回，由于第二級飛得高，所以難度更大，回收再入大氣層時需要熱防護系統保護才行。

太空探索技術公司還擬搶在美國航空航天局之前，率先研制出 “獵鷹重型”火箭。該火箭可以把質量53t的有效載荷送到近地軌道，且很便宜，并能滿足載人航天的條件，有望于今年首次試射，引起航天工業的重大變革。最近，太空探索技術公司對外公布了一段概念視頻，在這段視頻中可以看到一枚“獵鷹重型”火箭的全部三個助推火箭都在發射之后自動返回卡納維拉爾角的發射平臺。該公司也在考慮研制更為強大的火箭-“超級獵鷹”，其運載能力將是“重型獵鷹”的3倍。借助這種火箭，無論是重返月球，進軍火星或者其他更遠天體都沒有問題。馬斯科希望在10～20年內率先把航天員送上火星。

在“龍”飛船研制方面，太空探索技術公司也采用了創新設計和技術。“龍”飛船可以客貨兩用，分載貨型和載人型兩種。這樣設計的好處是可以降低風險，節約成本。因為該公司可先通過發射多艘載貨型“龍”飛船來掌握飛船的主要技術，降低研制載人型“龍”飛船的研制難度和風險，并及早獲得商業利益（它還是目前唯一可以返回的貨運飛船，因而能帶回一些空間站上的實驗樣品等）。然后以此為基礎，花較少的費用和時間就能研制出載人型“龍”飛船。為了確保“龍”飛船能快速從貨運艙轉換成乘員艙，除了乘員逃逸系統、生命保障系統和允許乘員利用飛行計算機控制船載控制系統外，載貨型“龍”飛船的貨艙和載人型“龍”飛船的乘員艙在結構上幾乎是相同的。另外，未來的“龍”飛船另一大特點是不像目前的飛船只能使用1次，而是可重復使用10次。

從長遠看，研制可重復使用的火箭和飛船可使人類探訪甚至移居其他星球的夢想成真。現在載人航天最大的一個瓶頸就是成本太高，限制了進入太空的人數。如果可重復使用航天技術取得了實用性進展，未來將會大大加速人類進入太空的步伐。

曉柯/文

在海上回收載貨型“龍”飛船，它目前還不能重復使用

Recovering Falcon 9 Rocket