火箭一子級回收技術(shù)日趨成熟，但復(fù)用仍需時間

楊開 （北京航天長征科技信息研究所）

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火箭一子級回收技術(shù)日趨成熟，但復(fù)用仍需時間

楊開 （北京航天長征科技信息研究所）

美國東部時間2016年6月15日，美國獵鷹-9在完成預(yù)發(fā)射任務(wù)后回收第一級時，因1臺發(fā)動機故障而回收失敗。不過此前的2016年5月27日，獵鷹-9改進型執(zhí)行泰國通信衛(wèi)星高軌任務(wù)時，在海上回收獲得成功，這是獵鷹-9連續(xù)第3次成功在海上回收。自2015年12月以來，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在火箭一子級回收計劃上取得的成就令人驚嘆，從低軌任務(wù)的陸地回收到低軌任務(wù)的海上回收，再到高軌任務(wù)的海上回收，獵鷹-9火箭不斷刷新紀錄，一子級回收技術(shù)漸入佳境，證明了有動力垂直返回技術(shù)是一種可行的重復(fù)使用方案，但目前還不成熟。

1 引言

SpaceX公司成立之初的目標(biāo)就是要打破傳統(tǒng)發(fā)射服務(wù)運營商的高昂價格，因此，在火箭方案設(shè)計階段就已經(jīng)考慮到了重復(fù)使用的問題。根據(jù)SpaceX公司和美國航空航天局（NASA）在2006年簽訂的太空行動協(xié)議，獵鷹-9v1.0型的一二子級都將采用重復(fù)使用設(shè)計，但是并沒有提及具體的設(shè)計方案。2010年，獵鷹-9v1.0型首飛時一子級外表面安裝燒蝕材料，內(nèi)部安裝降落傘，試驗降落傘回收火箭一子級的方案。但是采用鋁鋰合金結(jié)構(gòu)的一子級在返回過程中因承受不住氣動載荷和熱載荷而解體，傘降回收的嘗試失敗。隨后，SpaceX公司決定放棄傘降方案，迅速轉(zhuǎn)向有動力的垂直返回技術(shù)：2012年就開始利用獵鷹-9v1.0一子級改造的“蚱蜢”驗證機驗證垂直起降技術(shù)；2013年初淘汰獵鷹-9v1.0，為適應(yīng)有動力垂直返回方案而設(shè)計的獵鷹-9v1.1投入使用。

麥·道公司的DC-X垂直起降驗證機進行垂直起降飛行試驗

SpaceX公司的重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展途徑

2 SpaceX公司火箭一子級回收之路

SpaceX公司選擇的垂直反推回收方案與麥 道公司（McDonnell Douglas）在20世紀90年代提出的“德爾他快帆”（DC-X/XA）方案類似。DC-X裝有4臺RL-10A-5發(fā)動機，推力可以在30%～100%之間調(diào)節(jié)，共進行了8次飛行試驗，最高飛行高度為2652m。DC-XA是DC-X技術(shù)驗證機的改進型，共進行了4次飛行試驗，第三次飛行高度達到3200m，飛行器在第4次飛行試驗中爆炸被毀，原計劃進行的第5次飛行試驗也被取消，該項技術(shù)驗證計劃也隨之提前結(jié)束。

雖然技術(shù)方案相同，但是SpaceX公司更多是瞄準了技術(shù)應(yīng)用而非單純的演示驗證，采用 “驗證機驗證——發(fā)射任務(wù)驗證——回收嘗試”的發(fā)展途徑，從2012年初開始利用“蚱蜢”驗證機進行技術(shù)驗證，到2015年底首次回收成功，SpaceX公司的進步速度之快令人驚訝，但是火箭回收之路并非一蹴而就，其技術(shù)發(fā)展過程也值得深思。

第一步：驗證機驗證

SpaceX公司共使用了2臺技術(shù)驗證機：“蚱蜢”垂直起降技術(shù)驗證機和獵鷹-9可重復(fù)使用驗證機（F9R-Dev1）?！膀乞臁彬炞C機進行了8次試驗，已經(jīng)停止使用，獵鷹-9R-Dev1進行了5次試驗，在2014年8月進行的第5次試驗中炸毀。

（1）“蚱蜢”驗證機

“蚱蜢”驗證機以獵鷹-9v1.0火箭一子級為基礎(chǔ)改造，高約32m，裝有1臺推力540kN的灰背隼-1D發(fā)動機。底部安裝了4支配有液壓減震裝置的金屬著陸支架和1套金屬支撐結(jié)構(gòu)，在著陸前起緩沖作用。驗證機垂直起飛、垂直著陸，試驗過程中發(fā)動機全程保持工作，通過發(fā)動機推力矢量控制實現(xiàn)箭體姿態(tài)穩(wěn)定，通過發(fā)動機推力大范圍調(diào)節(jié)，實現(xiàn)上升、懸停、減速和著陸。

“蚱蜢”驗證機共進行了8次飛行試驗。然而，“蚱蜢”驗證機的飛行高度僅有744m，試驗的經(jīng)驗積累也不夠多，所以為了進一步推動其垂直起降技術(shù)的發(fā)展，SpaceX公司又開展了可重復(fù)使用驗證機的試驗。

（2）可重復(fù)使用驗證機

結(jié)束“蚱蜢”驗證機的試驗之后，SpaceX公司利用獵鷹-9v1.1火箭一子級改造形成了獵鷹-9可重復(fù)使用驗證機，高約42m，裝有3臺灰背隼-1D發(fā)動機以及4個碳纖維鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)的著陸支架?？芍貜?fù)使用驗證機還裝有冷氣反作用控制系統(tǒng)進行輔助的姿態(tài)控制。

“蚱蜢”驗證機

“蚱蜢”垂直起降驗證機試驗情況匯總表

可重復(fù)使用驗證機進行了5次低空飛行試驗，最大飛行高度1000m，在2014年8月進行的第5次飛行試驗中炸毀。

2014年4月17日，可重復(fù)使用驗證機完成首次垂直起降試驗，飛行高度250m，時間不到1min。在試驗機的飛行試驗中，其著陸架呈展開狀態(tài)（著陸架收起狀態(tài)長7m，展開長度為18m），起飛時只有1臺發(fā)動機工作，可重復(fù)使用驗證機試驗場包括發(fā)射臺和著陸臺兩部分，驗證機在飛行中需要進行橫向移動。

可重復(fù)使用驗證機

2014年5月1日，可重復(fù)使用驗證機進行第二次飛行試驗，高度1000m，時間大約2min，其他情況與首次飛行試驗類似。

獵鷹-9上的格柵翼

2014年6月17日，可重復(fù)使用驗證機進行第三次飛行試驗，高度仍為1000m，試驗時間大約2min，此次飛行中采用了格柵翼進行控制，格柵翼大約在1min11s時打開。

2014年8月1日，根據(jù)SpaceX公司在美國航空航天學(xué)會（AIAA）2014年的航天大會上的報告，可重復(fù)使用驗證機又進行了一次飛行試驗，對新的作動器和軟件系統(tǒng)進行了研究。

2014年8月22日，可重復(fù)使用驗證機在進行第5次飛行試驗時發(fā)生故障，觸發(fā)了飛行終止系統(tǒng)（FTS）致使飛行器在空中解體爆炸。此次事故沒有造成人員損傷。在之前的試驗中，可重復(fù)使用驗證機的3臺發(fā)動機中僅有一臺工作，而此次發(fā)生故障的試驗中，3臺發(fā)動機都處于工作狀態(tài)。

第二步：發(fā)射任務(wù)技術(shù)驗證

2013年9月29日，獵鷹-9v1.1火箭首飛便開始進行一子級回收技術(shù)的驗證，包括發(fā)動機重啟、返回彈道、姿態(tài)控制、推力調(diào)節(jié)、著陸支架等，與驗證機計劃同步開展。

（1）2013年9月29日，獵鷹-9v1.1型火箭的首次飛行

按計劃，火箭一子級9臺發(fā)動機中的3臺發(fā)動機將重啟兩次。在實際任務(wù)中，發(fā)動機第二次重啟失敗?；鸺蛔蛹壍牡谝淮沃貑⒊晒Γ瑢⒁蛔蛹壦腿朐偃胲壍?，地面控制中心獲得相關(guān)數(shù)據(jù)；但在二次重啟中，由于一子級箭體因故障發(fā)生滾轉(zhuǎn)，發(fā)動機提前關(guān)機，一子級最終墜入范登堡空軍基地以南幾百英里的太平洋海域。

（2）2014年4月18日，獵鷹-9v1.1型火箭執(zhí)行第3次“國際空間站”“商業(yè)補給服務(wù)”（CRS-3）任務(wù)

在本次任務(wù)中，獵鷹-9v1.1型火箭一子級首次安裝了7.6m長的著陸架，著陸架采用碳纖維和鋁合金蜂窩材料，利用高壓氦氣氣動系統(tǒng)展開，伸展長度為18m，總質(zhì)量為2t?；鸺谄痫w3min后一、二級分離，飛行高度80km，飛行速度馬赫數(shù)為10。此后，一子級3臺發(fā)動機通過兩次重啟調(diào)整速度方向并減小再入速度，向距卡納維拉爾角東北部幾百千米的大西洋海域著陸區(qū)域降落。

發(fā)射結(jié)束后，通過修復(fù)得到的視頻證明一子級著陸架成功展開，并垂直降落在海面上。此外，公司的遙測數(shù)據(jù)表明一子級滾轉(zhuǎn)速度接近于零，傳感器工作正常。

（3）2014年7月14日，獵鷹-9v1.1火箭發(fā)射軌道通信公司（ORBCOMM）的6顆衛(wèi)星

獵鷹-9著陸支架

在本次發(fā)射中，SpaceX公司再次嘗試回收一子級。獵鷹-9火箭一子級在返回地面過程中重啟3臺發(fā)動機，實現(xiàn)火箭一子級的受控下降，并預(yù)計在落入海面前展開攜帶的4個著陸架，降落目的地是卡納維拉爾角東北方向幾百千米遠的海域。隨后，SpaceX公司公布了一子級垂直降落的視頻，著陸支架成功展開。

（4）2014年9月21日，獵鷹-9v1.1火箭執(zhí)行第4次 “商業(yè)補給服務(wù)”任務(wù)

此次發(fā)射任務(wù)中，NASA派出兩架飛機監(jiān)控火箭一子級有動力再入返回過程，并收集了相關(guān)的飛行數(shù)據(jù)。NASA希望利用這些數(shù)據(jù)研究未來火星著陸的問題，而SpaceX公司則可以依靠這些數(shù)據(jù)改進其一子級可重復(fù)使用技術(shù)。

第三步：回收嘗試

經(jīng)過“蚱蜢”驗證機和可重復(fù)使用驗證機的飛行試驗，以及獵鷹-9v1.1飛行任務(wù)中的4次技術(shù)驗證之后，SpaceX公司從2015年開始著手進行火箭一子級的回收嘗試，分別于2015年12月和2016年4月首次實現(xiàn)了一子級的陸地和海上回收。

（1）2015年1月10日，獵鷹-9v1.1火箭執(zhí)行第5次“商業(yè)補給服務(wù)”任務(wù)

將二子級送入預(yù)定軌跡后，一子級準備開始返回大西洋上距離發(fā)射點354km的海上回收平臺——自主航天港無人船（ASDS）。馬斯克稱，在平臺上著陸就像尋找一個針尖大小的目標(biāo)，試驗成功的機率只有50%。

一子級與二子級分離15s之后，一子級利用冷氣姿態(tài)控制系統(tǒng)離開二子級的羽流，之后繼續(xù)上升達到最高點140km處，重新啟動部分發(fā)動機，進行回程點火，控制縱程距離，開始瞄準91m×52m的無人船。之后，一子級進入彈道飛行階段。進入大氣層后，一子級展開4個格柵翼，這些格柵翼已經(jīng)在可重復(fù)使用驗證機飛行器上進行過低空低速的驗證。4個格柵翼各自獨立控制，采用兩自由度設(shè)計，可同時滾轉(zhuǎn)和傾斜，允許在大氣層飛行過程中進行復(fù)雜的制導(dǎo)控制。一子級的3臺灰背隼-1D發(fā)動機在70km的高度再次點火反推，降低再入速度。加上空氣阻力的作用，一子級速度從1200m/s降低至250m/s。在飛越大氣層的過程中，一子級重心很低（幾乎沒有推進劑，質(zhì)量集中在底部的發(fā)動機上），利用格柵翼保持飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定，并進行俯仰角度修正，進一步調(diào)整縱程距離，瞄準海上回收平臺的位置。此時，海上平臺附近（保持安全距離）布置了一艘支援船只，記錄一子級的遙測數(shù)據(jù)和視頻。

在最后的著陸點火時，只有中心的一臺發(fā)動機再次啟動，一子級最后精確調(diào)整飛行路線，垂直地下降到平臺的X標(biāo)記上方。在下降前10s，4個著陸支架利用增壓氦氣展開。

獵鷹-9著陸過程的模擬畫面

結(jié)果表明，一子級成功找到了“針尖”大的平臺，但是未能夠在平臺上站立，一子級返回時著陸速度過高且姿態(tài)傾斜，撞毀在平臺上?；厥諊L試失敗之后SpaceX公司表示，火箭上安裝的格柵翼從高超聲速到亞聲速飛行階段的工作都非常好，但是在著陸之前耗盡了液壓液，不能進行有效的減速和姿態(tài)控制。此后的任務(wù)中，SpaceX公司將液壓液的加注量提高了50%。

（2）2015年2月11日，獵鷹-9v1.1火箭發(fā)射美國國家海洋和大氣管理局的“深空氣候觀測臺”衛(wèi)星（DSCOVR）

此次發(fā)射任務(wù)需要將衛(wèi)星送入近地點187km、遠地點1241000km、傾角為37°的軌道，高軌任務(wù)增加了火箭回收的難度，因為火箭一子級速度提高了很多，返回過程中承受的氣動壓力將是第一次回收嘗試任務(wù)中的2倍，而且返回過程中推進劑余量不夠充足，只能進行兩次點火。發(fā)射當(dāng)天海上天氣情況較差，海上回收平臺未能到位，一子級只能進行動力反推試驗，SpaceX公司稱一子級返回過程中的姿態(tài)和速度都得到了有效控制。

（3）2015年4月，獵鷹-9v1.1火箭執(zhí)行第6次“商業(yè)補給服務(wù)”任務(wù)

在本次任務(wù)中，SpaceX公司再次嘗試利用海上平臺火箭一子級，火箭雖然降落到了海上平臺上，但屬于“硬著陸”，由于橫向速度過大失去平衡而翻倒，大部分部件已經(jīng)損壞。后續(xù)調(diào)查表明，是由于控制系統(tǒng)的相位滯后問題引起的速度失控。

（4）2015年12月，獵鷹-9改進型執(zhí)行軌道通信-2（Orbcomm-2）發(fā)射任務(wù)成功實現(xiàn)一子級陸地回收

獵鷹-9火箭改進型從卡納維拉爾角的第40號發(fā)射工位起飛，大約14min后將軌道通信公司的11顆衛(wèi)星送入近地軌道。在火箭二子級上升入軌的過程中，火箭一子級通過一系列的發(fā)動機點火和機動，成功返回第1著陸區(qū)域，該區(qū)域距40號發(fā)射工位只有幾英里的距離。根據(jù)SpaceX公司的網(wǎng)絡(luò)視頻直播，火箭一子級大約在發(fā)射后10min成功地垂直降落在著陸區(qū)域。

（5）2016年1月，獵鷹-9v1.1執(zhí)行賈森-3 （Jason-3）任務(wù)時海上回收失敗

最后一發(fā)獵鷹-9v1.1型火箭執(zhí)行高軌任務(wù)，火箭一子級成功進行了再入返回，在降落之前很好地控制了姿態(tài)和速度，垂直降落到海上平臺上，但是由于一條著陸支架折斷，導(dǎo)致翻倒炸毀。后續(xù)調(diào)查表明，由于當(dāng)天的大霧天氣導(dǎo)致著陸支架在發(fā)射過程中結(jié)冰，降低了支架強度，最終使得支架折斷。

（6）2016年3月，獵鷹-9改進型執(zhí)行歐洲衛(wèi)星-9（SES-9）任務(wù)時海上回收失敗

此次任務(wù)是獵鷹-9改進型發(fā)射載荷最大的高軌任務(wù)，載荷質(zhì)量5.3t，SpaceX公司事前也稱此次回收成功的可能性很小。最終也是由于一子級分離點高度高、再入速度大，沒有準確降落在駁船中心，而是傾斜著“撞”上了海上平臺。

（7）2016年4月，獵鷹-9改進型執(zhí)行第8次“商業(yè)補給服務(wù)”任務(wù)時成功實現(xiàn)海上回收

獵鷹-9火箭在執(zhí)行第8次“商業(yè)補給服務(wù)”任務(wù)時，成功實現(xiàn)了火箭一子級的海上平臺著陸，并成功將龍飛船送入預(yù)定軌道。

賈森-3任務(wù)中海上平臺回收嘗試已經(jīng)非常接近成功

今年5月初回收的一子級嚴重受損

（8）2016年5月6日，獵鷹-9改進型執(zhí)行日本通信衛(wèi)星-14高軌任務(wù)時再次成功實現(xiàn)海上回收

在發(fā)射任務(wù)中，獵鷹-9火箭一子級在上升段工作了2min38s，相比4月9日低軌任務(wù)的工作時間增加了8s，一子級的速度提高了很多，而推進劑余量卻降低了。正常情況下，一子級返回過程中要重啟工作3次，即回程點火、再入點火和著陸點火，但是由于推進劑余量不足，此次任務(wù)中只能進行再入點火和著陸點火。這種情況下一子級在完成再入點火后的速度為2km/s，而低軌任務(wù)中的完成回程點火和再入點火后的速度為1km/s，也就是說速度提高了1倍。為了能夠在降落之前抵消掉上述速度增量，此次著陸點火過程中先重啟了3臺發(fā)動機（以往任務(wù)中都是重啟1臺發(fā)動機）。最后，在著陸前幾秒鐘關(guān)閉兩側(cè)的發(fā)動機，利用中心發(fā)動機實現(xiàn)高精度著陸。

（9）2016年5月27日，獵鷹-9改進型執(zhí)行泰國通信衛(wèi)星高軌任務(wù)時，連續(xù)第3次在海上回收獲得成功

雖然著陸成功，但是馬斯克也表示，火箭在著陸時存在“一定傾倒風(fēng)險，速度接近設(shè)計極限”，說明高軌任務(wù)的回收仍有一定難度和風(fēng)險。

3 回收后的一子級情況

目前，SpaceX公司已經(jīng)回收的三枚火箭一子級，都停放在卡納維拉爾角第39A發(fā)射工位的廠房內(nèi)。2015年12月在陸地回收的第一枚火箭一子級未來將不再復(fù)飛，而是要放到SpaceX公司的總部進行展示。今年4月份在海上回收的第二枚火箭原計劃在6月份復(fù)飛，但是由于試驗時間推遲導(dǎo)致復(fù)飛計劃往后推遲到今年9月。

今年5月初回收的第三枚火箭一子級，則由于再入返回的速度太高受到了嚴重的損壞，目前還很難確定能否復(fù)飛。而5月底的回收中，火箭一子級雖然著陸成功，但是著陸速度基本達到了極限值，在平臺著陸時蜂窩鋁合金結(jié)構(gòu)的緩沖裝置完全撞毀，不過馬斯克表示緩沖裝置在后續(xù)任務(wù)中可以更換。

4 小結(jié)

回收火箭最重要的意義在于降低發(fā)射成本，SpaceX 總裁兼首席運營官格溫·肖特維爾在發(fā)布會上表示：目前精確確定可重復(fù)使用火箭會降低多少費用還為時過早，但是一級火箭推進劑的成本不到100萬美元，而一級回收后修復(fù)的費用約為300萬美元，那么回收后再發(fā)射的費用降低30%是可行的，發(fā)射費用可降至4000萬美元。需要注意的是，上述費用僅是初步估計，如果考慮到火箭運載能力損失、火箭回收之后的修繕成本以及重復(fù)使用次數(shù)等問題后，還無法判斷SpaceX公司是否可通過利用回收火箭降低發(fā)射成本，更無法確定能有多大的降幅。例如，按照最近SpaceX公司公布的獵鷹-9火箭運載能力，完全一次性使用的情況下，其GTO運載能力為8.3t，而此次發(fā)射的衛(wèi)星質(zhì)量為4.7t左右，回收火箭一子級大約損失了3.6t的運載能力，約為43.4%。這樣的運載能力損失對于成本影響顯然也非常大。

SpaceX公司利用成熟技術(shù)在重復(fù)使用運載器技術(shù)上成功開辟了一條可行路徑，不過真正實現(xiàn)重復(fù)使用還需要一定時間。未來獵鷹-9火箭的回收和重復(fù)使用可能還會經(jīng)歷很多坎坷，但是SpaceX公司堅持創(chuàng)新和大膽決策的風(fēng)格，仍會推動重復(fù)使用技術(shù)和航天技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

Rocket First-stage Recovery Technology Maturing，But Reuse Still Needs Time