令人矚目的人類首次火箭回收試驗

Lsquirrel

2015年1月10日，美國太空探索技術公司（SpaceX）進行CRS-5任務的發射，使用龍式飛船執行例行的國際空間站貨運任務。不過，對于絕大多數航天專家和愛好者來說，這次發射任務更值得關注的是獵鷹9號（Falcon 9）火箭第一級的海上回收試驗，因為這是人類第一次真正意義上的火箭回收試驗。

北京時間2015年1月10日17：47，由 SpaceX研制的獵鷹9號運載火箭在歷經兩次推遲后終于成功發射，其搭載的“龍”飛船已成功進入預定軌道，NASA稱飛船一切正常，但火箭的回收工作卻遭遇了挫折。SpaceX的CEO伊隆·馬斯克在推特中表示：“火箭（回落時）趕上了海洋平臺，但著陸時發生了狀況（硬著陸），接近成功，但最終功虧一簣。”

此前，官方形容回收難度：“就像你在風暴里嘗試用單手掌使一個豎立的掃把保持平衡”，由于火箭一級返回初始速度高達1300m/s，而最終落地的精度要求在10米以內，并保持2m/s的速度落到海洋平臺上。伊隆·馬斯克之前曾表示，回收的成功率應該不會超過50%。

火箭在回落過程中很可能沒有控制好速度，導致其與海洋回收平臺發生了“碰撞”，使平臺受損，“碰撞”對后面的回收工作造成了一定的影響，正如馬斯克所說，這次的回收算不上成功。

實際上，如果“獵鷹9號”可回收火箭能成功實現回收，對太空探索領域來說將具有跨時代的意義，通過該火箭的自主返回技術，它將大幅縮減太空旅行的花銷。據估計，若能實現火箭的全面回收，預期發射成本將降低99%。

無論有沒有關注過航天，任何人對航天發射的高昂費用恐怕都有所耳聞。SpaceX以發射價格低廉而聞名，可是上官網查查它的發射報價，主力獵鷹9號火箭一次發射也要5650萬美元，折算成人民幣就是3.5億元。

居高不下的航天發射成本，制約著航天工業的發展。

那么，有沒有辦法降低成本呢？其實一枚火箭的成本，燃料僅占很小一部分，火箭的導航制導控制、儲箱和發動機等部分，才是絕對的大頭。如果一枚火箭可以重復使用，就可以大大降低成本。于是，工程師提出了可重復使用航天器的概念，試圖從根本上降低成本。只是誰也不曾想到，這條道路竟然如此艱難和漫長。

人類進入航天時代之初，激情澎湃的工程師提出了一個個今天看起來也極為震撼的方案。

美國通用動力公司1962年的Nexus火箭，高122米，直徑50米，起飛質量約2.4萬噸，可將超過1000噸的載荷送入近地軌道。它采用的是單級入軌的設計。Nexus火箭將載荷送入軌道后，火箭整體再送入大氣層并落向大海，并使用反沖火箭降低濺落時的沖擊力。火箭加注燃料后，即可繼續投入發射。

從某種意義上說，Nexus火箭是今天獵鷹9號第一級再入海上回收的開山鼻祖，即使是50年前的設計，無論運輸能力之強還是概念的先進性，都要比獵鷹9號更為高端大氣上檔次！唯一的問題在于，它的研制難度實在太高，以至于到現在也不可能做得出來，只有谷歌的同名手機大行于世。

20世紀90年代，“航天飛機之父”馬科斯·穆勒參與創建了基斯特勒宇航公司（Kistler）。他們的K-1火箭開創性地提出第一級低速分離，自行飛回發射場，以及氣囊輔助降落傘著陸的可重復使用方案。K-1火箭也曾和SpaceX的獵鷹9號火箭一起入選美國航天局的商業軌道運輸服務（COTS），但由于進度超標等一系列因素，最終被軌道科學公司替換了。此后，基斯特勒宇航公司資金鏈斷裂，K-1火箭也胎死腹中。

馬科斯·穆勒是上一個時代的英雄，埃隆·馬斯克無疑是當代的英杰。

馬斯克認為，星際殖民是人類文明未來存續的關鍵，而廉價進入太空的能力，是航天大發展的根基。他認為只有重復使用的運載工具，才是人類航天的未來。

馬斯克曾以自己的獵鷹9號火箭舉例，火箭成本5000萬美元，但燃料費用僅有20萬美元。通過重復使用，理論上可以將成本降低為現在的1%。他更放出豪言，如果火箭發射報價不能降低為現在的1/20，他的努力就算失敗了。

說出這句話之前，馬斯克的SpaceX就在追求研制可重復使用運載工具。獵鷹火箭設計之初，就為回收利用的降落傘預留了位置，而獵鷹9號火箭的前幾次發射，也積極進行了降落傘回收的試驗。不過遺憾的是，火箭第一級再入后便失去聯系。

分析認為，無控再入大氣層時過載很大，還未減速降低到降落傘開傘的速度和高度，火箭第一級就已經被撕碎解體了。SpaceX后來決定，為獵鷹9號火箭第一級增加冷氣噴射的姿態控制系統，維持其再入姿態，火箭第一級再次點火飛回發射場。不過馬斯克也沒有照搬穆勒的設計，而是提出一個新的方法：火箭第一級將受控垂直降落。

垂直起降（VTVL）航天器從來不是一個新鮮的設計，美國人很早就在探討這個概念。可惜，這個大坑坑殺了無數前仆后繼的航天英豪。

馬斯克的“蚱蜢”和獵鷹9號返回試驗器之前，最著名的垂直起降航天器當屬麥道公司的三角快帆（DC-X）試驗飛行器。DC-X并不打算進行軌道飛行，而是用于驗證垂直起飛和降落的技術。

垂直起飛是運載火箭的主流，但垂直降落還沒人實現。DC-X試驗飛行器成功進行了多次試飛，驗證了飛行和垂直降落的技術，飛行時間從59秒逐漸增加到136秒，最高高度達到2500米——這是SpaceX的“蚱蜢”飛行器至今沒能達到的記錄。

盡管DC-X及后續的DC-XA試驗經歷過兩次飛行器墜地事故，但總的來說，三角快帆系列實驗相當成功，以幾千萬美元的經費進行了垂直起降的驗證，獲得了大量的技術經驗。美國航天工業的技術積累，很大程度上就是DC-X這類驗證項目支撐起來的。

進入21世紀后，很多新興航天公司對垂直起降技術大感興趣。作為其中的佼佼者，藍色起源公司招攬了部分當年在麥道公司參與DC-X項目的人員，進行New Shepard垂直起降航天器的研制。它的縮比驗證飛行器在第二次試驗中飛到14000米高空，并達到1.4馬赫的速度。不過由于在高速飛行中失控，試驗飛行器墜毀，此后再無下文。

與失敗的前輩們相比，SpaceX最難能可貴的就是務實和堅持。他們研制“蚱蜢”垂直起降試驗飛行器，為火箭定點垂直著陸進行試驗。后來，該公司又改裝了一個獵鷹9號火箭的第一級（F9R）進行垂直起降試驗，計劃飛到更高的高度和速度。

與此同時，SpaceX還在進行獵鷹9號火箭第一級完整再入大氣層和著陸試驗，計劃實現火箭第一級再入并飛回發射場。他們不僅要進行重復使用，還要為更遙遠的快速周轉打下基礎。

2013年9月29日，獵鷹9號火箭第一級首次嘗試受控再入返回。這次飛行中第一級火箭成功完成了第二次點火減速、受控再入和第三次點火，但點火后箭體滾轉速度過快，說明姿態控制系統能力有所不足。火箭第三次點火成功后很快關機，箭體以45米/秒的速度摔壞了，不過這次成功足以讓人大喜過望。

值得一提的是，獵鷹9號火箭第一級的第二次點火是在高空高超音速下進行的，這對火星探測有很大的意義。

由于火星大氣過稀薄減速慢，現有的亞音速降落傘只能在低海拔地區使用，要降落到高海拔地區需要難度極大的超音速降落傘或是高空火箭反推技術。SpaceX進行的世界首次高空高超音速下的點火，正是美國航天局夢寐以求但暫時沒有預算進行研制的技術。

2014年4月22日的CRS-3貨運任務中，獵鷹9號火箭第一級進行了第二次受控再入。箭體加上4只著陸腿后，火箭第一級姿態得到了很好的控制，海面上方的第三次點火成功將下落速度降到很低，第一級落水后還發送了8秒的信號，證明火箭第一級成功實現軟落水。可惜當時海上風浪很大，箭體最終還是破碎了。

受此鼓舞，SpaceX決定再次進行受控再入試驗，也就是此次進行的海上平臺降落試驗。

海上定點降落，主要難度在于駁船長寬只有300英尺×100英尺，而火箭第一級著陸腿展開后就有70英尺，加上駁船無法固定，精度達到10米以內精確“命中靶心”十分困難。

不過，這次試驗第一級箭體綜合使用了反作用力控制系統、柵格翼氣動控制裝置、GPS定位系統和著陸雷達等多種手段，保證10米級別的制導降落精度并不太難。況且，啟動主發動機減速和垂直降落，更是“蚱蜢”和F9R飛行器曾多次試驗過的內容。總的說來，這次試驗的難度要比前兩次試驗小一些。但不幸的是，試驗最終還是失敗了。

獵鷹9號的這次試驗，是人類現役運載火箭的第一次回收試驗，它意味著，人類距離火箭第一級的重復使用將只有一步之遙。試驗雖然最后還是失敗了，但我們期待著SpaceX能獲得一枚完整的火箭第一級，更期待他們能在不遠的將來實現火箭的重復使用，從而大幅度降低火箭發射費用，造福于人類的航天事業！（來源：騰訊網 責任編輯/余風）