火箭回收有多難？

李大光

2016年1月18日，美國太空探索技術公司（SpaceX）用“獵鷹-9”運載火箭成功將一顆海洋觀測衛星送入軌道，但在隨后的第一級火箭海上回收試驗中，沒能延續近1個月前陸地回收試驗成功的好運，以失敗告終。

SpaceX的“獵鷹-9”火箭

火箭回收的探索

讓運載火箭在海面平臺上著陸的概念已提出了幾十年，但一直未有這方面的成功嘗試。2011年，SpaceX提出了“垂直起飛，垂直降落”（簡稱VTVL）的一級火箭回收復用方案。一級火箭分離后，在再入大氣層過程中重新開啟3臺發動機減速，在接近地面的時候打開4個支撐腿，并啟動一臺發動機，通過發動機推力的控制，使火箭垂直降落在著陸場上。這個相當“科幻”的重復使用概念其實在1990年就已提出，麥道公司（1997年并入波音）在1991～1996年間，曾經開發了兩型“德爾塔快帆”驗證機，對相關技術進行飛行驗證。不過，“獵鷹-9”一級火箭的飛行高度和速度以及控制難度，遠超出了“德爾塔快帆”的已驗證范圍。

從2012年開始，SpaceX利用“蚱蜢”火箭開展VTVL技術驗證試驗。在先后8次的飛行中，最高飛到了744米，并成功降落。但是，“獵鷹-9”火箭第一級分離時，速度高達10馬赫，高度在45千米以上，還面臨嚴重的推進劑不沉底、氣動載荷、姿態失控、高空橫風等問題，這些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦所無法驗證的。

2014年4月18日，SpaceX在利用“獵鷹-9”運載火箭和“龍”飛船執行國際空間站貨運補給任務過程中成功實施了火箭第一級“軟著陸”試驗。“獵鷹-9”火箭第一級降落到大西洋，但遭遇風浪襲擊損毀，未能完整回收。7月14日，SpaceX利用“獵鷹-9”火箭成功將6顆通信衛星發送至低地球軌道，同時還利用此次發射測試回收程序，如多級火箭分離后重新定向第一級、在海面上降落、著陸支架展開等。

2015年1月10日，SpaceX成功向國際空間站發射了“龍”飛船，但“獵鷹-9”運載火箭第一級海上回收嘗試以失敗告終，火箭在海面浮動平臺硬著陸并損毀。此次發射中最令人關注的是“獵鷹-9”運載火箭的第一級能否首次在沒有錨定的海面浮動平臺上精準著陸。6月28日，“獵鷹-9”運載火箭執行國際空間站貨運補給任務，火箭升空兩分半鐘后突然爆炸解體，原計劃讓火箭第一級垂直降落在海上漂浮平臺的嘗試再次失敗。

2015年12月21日，“獵鷹-9”運載火箭搭載11顆通信衛星，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空，10分鐘后，第一級火箭成功著陸地面平臺，首次實現安全回收。這成為航天領域具有里程碑意義的重大事件，標志著可重復使用火箭技術邁出了一大步。鑒于此前兩次一級火箭回收試驗失敗，火箭或直接墜入大海或因硬著陸而爆炸損壞，SpaceX這一次使用了升級版火箭，并將著陸點從海洋轉移到陸地，從而獲得了成功。

“藍色起源”公司的“新謝帕德”號火箭

可惜的是，2016年初“獵鷹-9”沒有一鼓作氣地成功實現海上著陸，未能為SpaceX創下第二座里程碑。“獵鷹-9”第三次海上回收視頻顯示，在“獵鷹-9”的一根著陸支架未能鎖定之前，此時火箭已經精準地降落到海上駁船上，導致箭體翻倒繼而引發爆炸。SpaceX公司首席執行官埃隆·馬斯克稱，“獵鷹-9”海上著陸失敗的“根本原因或是火箭在升空時，大霧凝結造成了冰集聚所致”。

火箭回收的難度

目前，運載火箭都是一次性航天工具，其第一級火箭在完成分離后會墜落到陸上無人區或空曠海域，不可重復使用。埃隆·馬斯克曾形容火箭使用的浪費程度，就和一架波音747客機僅作了單趟飛行就報廢一般。造價高昂的火箭如果能擺脫“一次性”用品角色，未來航天發射的成本有望大大降低。這就是為什么人們歷經失敗仍堅持嘗試的原因，不過他們需要克服的難題不小。

運載火箭回收試驗有兩大難點：一是讓火箭第一級在分離后垂直下降，其難度就像在暴風雨中讓一根掃帚平穩地直立在手掌上;二是精準降落在沒有錨定且只有足球場大小的浮動平臺上極其困難，其著陸精度要求在10米以內。因此，回收火箭首先要解決火箭著陸精度問題，要能夠回收到預定地點。其次，火箭要以垂直的姿態降落，必須解決姿態控制問題，而越是豎長的物體，就越難以控制。此外，還要解決減速問題，必須是軟著陸，又不用降落傘，所以只能用反向推力裝置。而且，回收的過程是一個變速過程，在這個變速過程中如何始終解決好以上幾大問題，難度非常高。就回收平臺來說，在海上平臺上回收火箭比陸地平臺更難，因為陸地上氣象條件更好，回收面積也可以更大，平臺更穩定。不過，在陸上降落意味著火箭在空中飛行距離可能更長，消耗的燃料更多。

從垂直回收技術上來看，在回收過程中要通過火箭發動機在推力和方向上不斷地調節和調整來進行精確控制，這對燃燒室、渦輪泵、閥門等各組件要求很高。此外，還需要解決大長徑比的發動機垂直降落的姿態控制、支撐結構設計等一系列難題。更重要的是，回收系統不僅要能夠實現基本功能，還要達到相當高的可靠性。火箭的重量、體積必須最小化，否則會成為一個巨大的“累贅”。

可靠的回收只是火箭重復使用的第一步，接下來要驗證火箭的發動機是否可以重復使用，還要進一步驗證回收二級火箭的可行性。

火箭的重復使用對于發動機核心部件的性能和壽命提出了更高要求。目前火箭發動機的設計壽命、試車時間都是以秒為單位計算。對于一次性使用的火箭來說，保證材料和相關設計在短時間能頂得住是一個問題，確保長壽命使用又是另外一個問題。美國航天飛機的主發動機的燃燒室壓強高達207個大氣壓，燃燒室的工作溫度約為3300℃（目前最先進的渦扇發動機渦輪溫度不到1700℃），其中一個小小的渦輪泵的功率就是目前最先進主戰坦克發動機功率的數十倍。讓這樣的發動機順利工作一次就已經非常困難，而要重復使用多次，那么對材料和工藝的要求必須要上一個巨大的臺階。

火箭首次成功回收只是一個開始，意味著這項技術具有可行性，但想要真正掌握這一技術，還需要通過多次試驗驗證其可靠性，由成功變成成熟。一旦這些技術可以完全實現，將大大降低航天發射成本。專家預計，如果回收并重復使用第一級火箭，可以降低80%的成本，而如果能回收并利用第二級將可以降低98%的成本。

火箭回收的“比拼”

嚴格來說，“獵鷹-9”火箭并非第一枚成功回收的火箭，而是第一枚成功實現回收的軌道運載火箭。因為2015年11月24日，亞馬遜創始人杰夫·貝索斯旗下的“藍色起源”太空公司成功將“新謝帕德”號火箭發射到約100千米的高度，火箭隨后又成功返回發射場。這是全球第一個發射升空后又完好無損返回地面的火箭。不僅如此，該公司還于2016年1月22日把回收的火箭再次發射并令其成功在陸地上軟著陸。

那么，相對于上述可回收火箭，“獵鷹-9”運載火箭又先進在哪里呢？“獵鷹-9”的目標是將有效荷載運送到近地軌道，而“新謝帕德”的目標只是未來將乘客送往亞軌道，無論從飛行高度還是速度都和進行軌道發射的運載火箭不是一個量級。而且“獵鷹-9”運載火箭第一級的長徑比遠遠大于前者，控制難度更大，回收難度也更大。

2015年4月，與美國軍方關系密切的一家航天公司——“美國發射聯盟”公布了其新一代軍用運載火箭的部分設計。這種新型運載火箭被定名為“火神”，它具有兩大先進技術，首先是第一級火箭可重復使用，其次它的第二級火箭在完成任務后可停留在軌道充當加油站，允許其他航天器與其對接并獲得燃料補給。預計這兩項技術將在2023～2024年后達到實用水平。

從發展的角度來看，重復使用將是未來運載火箭發展的一個趨勢，無論在商業上還是在軍事上都有潛在的價值。除了美國，歐洲、日本甚至印度都在對相關技術進行預研。2015年1月5日，法國宣布已開始與德國等國開展小型技術研究項目，研制以液氧/甲烷為燃料的可重復使用火箭。

我國的火箭可重復使用技術仍然處于探索階段，尚未實現工程應用。我國的載人飛船也是采用垂直著陸方式，因此，我國的火箭可重復使用技術研究或將建立在垂直升降技術基礎上。然而，重復使用的火箭對基礎工業和材料工業的要求將達到一個空前高度，這是對中國航天工業的一個新考驗。

【責任編輯】龐 ?云