獵鷹重型芯一級回收成為“老大難”

文/李會超

▲廠房里的獵鷹火箭

美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹重型火箭于去年2月6日成功完成首次飛行試驗后，這種“地表最強”火箭在今年開始執行正式的發射任務。6月25日，一枚獵鷹重型火箭在美國肯尼迪航天中心成功發射升空，將24顆大小不一的衛星送入太空，完成了年內的第二次發射。但是，火箭的芯一級回收再度失敗，成為“老大難”問題。

▲衛星進整流罩

▲發射臺上的獵鷹重型

任務復雜挑戰大

本次發射是美國空軍所屬的“太空測試計劃”的一部分。這個計劃旨在為與美國國防部有關聯的空間科學與技術部門提供發射飛行的機會。本次發射的衛星單個質量都不是很高，而獵鷹重型火箭的運載能力又比較強，為了充分利用運載能力，24顆衛星被一次打包發射上天。這24顆衛星中，有的工作在距離地面較近的近地軌道，有的則工作在近地點6000公里、遠地點12000公里的較高軌道上。為了將衛星一一送到各自的工作軌道上去，火箭的第二級要多次點火變軌。在發射開始后13分鐘，就已經有衛星入軌，而最后一顆衛星入軌則要等到發射后三個半小時。其間，第二級火箭共點火工作四次。

這樣相對復雜的入軌操作，使得第二級必須攜帶更多燃料，重量比以往發射時更大。因此，芯一級不得不工作更長時間，才能讓第二級以足夠的速度進入適當的軌道。對于太空探索技術公司所使用的火箭回收復用技術，準備回收復用的火箭芯一級和助推器必須預備額外的燃料，以供其在返回過程中利用發動機調整軌道、減速并最終平穩地懸停降落在回收平臺。然而，由于芯一級在本次發射過程中消耗的燃料太多，給返回預留的燃料有限，它不得不以較高的速度返回地面。

在獵鷹重型火箭已經進行的發射中，太空探索技術公司已經可以相當純熟地利用陸地回收平臺同時回收兩個助推器，但芯一級的回收一直是一個老大難問題。在獵鷹重型火箭首飛時，火箭第一級墜落在了海上回收平臺——“我當然還愛你”旁邊，對平臺造成了一定損壞。在今年4月發射Arabsat-6A 通信衛星的第二次飛行中，芯一級雖然成功的在回收平臺上軟著陸，但在當時惡劣的海況下，回收平臺上用于支撐固定火箭芯一級的幾個大型液壓臂沒有能抵御住驚濤駭浪的侵襲，在平臺還未被拖帶回港口時，芯一級就在平臺上傾覆報廢。

▲噴射火焰

由于剩余燃料量的限制，本次發射過程中，芯一級無法著陸在相對靠近海岸的位置，因此海上回收平臺被部署在了距離海岸1240公里的位置，比之前歷次發射都要遠。同樣是由于燃料的限制，本次芯一級在再入大氣層過程中的速度可能比前兩次獵鷹重型火箭的發射都要大，增加了回收的困難。太空探索技術公司在發射前就已經意識到了回收的潛在風險，并給出了僅僅50%的成功概率。

在當天的發射中，芯一級火箭在正常完成推進工作并與第二級分離后，開始了返回回收平臺的飛行。首先，三臺梅林1D發動機讓芯一級正常進入了返回彈道。然而在隨后與大氣層的劇烈摩擦中，一臺梅林1D發動機很可能遭遇了損壞。而這臺發動機，恰恰是安裝在芯一級底部中心的一臺，而其他八臺發動機環繞它呈環形布置。這臺發動機對于最后的軟著陸至關重要，它的損壞給回收造成了很大麻煩。從地面上的攝像機拍攝的畫面看，返回中的火箭芯一級剛出現在視野中時，就已經是傾斜的狀態。而艾隆·馬斯克表示，當時芯一級上的控制系統很可能已經判定回收成功無望，因此主動控制自己遠離了海上回收平臺，以免在墜落過程中將平臺損壞。最終，這枚芯一級墜毀在了距離“我當然還愛你”數百米的海洋中。

24顆衛星功能各異

早在2012年，太空探索技術公司就已經中標了本次發射。據國外網站報道，本次發射的合同價格為1.65億美元，最初設定的發射時間為2015年中期。然而，由于獵鷹重型火箭研發進度的一再拖延，發射足足被延遲了4年。

在本次發射的24顆衛星中，美國空軍實驗室空間飛行器部的“驗證和科學試驗”（DSX）衛星，主要對GPS等衛星所在的中地球軌道（MEO）上的空間環境及其對衛星的可能效應開展研究。其中，“波粒相互作用實驗”儀器主要探測研究中頻率波與粒子間的相互租用。而“空間天氣實驗”儀器則要探測高能質子、電子和能量相對較低的等離子體的物理參數與空間分布。這些物質會對衛星的安全運行產生威脅。它們或通過單粒子效應，像子彈一樣直接打擊衛星中的各種儀器；或通過表面充放電效應，產生意外的電擊阻礙衛星正常工作。而“空間天氣效應”儀器，則重點關注這些效應在衛星上發生的過程和程度。這兩個儀器的共同探測結果，將有助于航天工程師們針對潛在的空間天氣效應，在衛星設計階段采取更有效的防護措施，在衛星在軌運行階段采取更有效的調度措施。此外，美國海軍實驗室研發的NPSAT衛星同樣聚焦空間天氣效應，這顆衛星的主要工作是監測電離層中可能對無線電通信產生影響的電子密度閃爍現象。

在航天飛行中，衛星也要使用燃料和推進劑，驅動發動機維持自身的軌道和姿態。然而，與不少火箭已經使用無毒無害的綠色燃料不同的是，許多衛星仍在使用偏二甲肼等聯氨類燃料。通過本次發射升空的“綠色推進劑注入”（GPIM）任務，美國宇航局將測試一種無毒無害的非聯氨推進劑的實際效能。GPIM在軌工作期間，研究人員將進行衛星的軌道機動測試，驗證推進劑在姿態控制轉換、軌道傾角變化和軌道下降過程中的性能。一旦推進劑的實際效能和預期的一致，這種推進劑有望在今后簡化航天器的發射前準備過程，為航天器提供更長的在軌工作時間和更大的有效載荷質量比，從而提升航天器的性能。

▲發射軌跡和回收軌跡同框

▲獵鷹重型發射

▲陸地回收

美國宇航局的另一顆衛星“軌道測試臺”（OTB）則將對一種新型的原子鐘進行為期一年的在軌測試。原子鐘是一種精度極高的計時儀器，目前應用廣泛的GPS導航系統，其衛星上的時頻信號源就是原子鐘。OTB測試的新型原子鐘的誤差水平可達到10年1微秒的水平。除了能為未來的深空探測提供相當精確穩定的時間和頻率信號外，這種原子鐘也將有望應用到未來的GPS衛星上，使無線電信號體系更加靈活，釋放為導航信號預留的寶貴通信帶寬。

除了這些任務外，24顆衛星中還包含對大氣和電離層開展探測的COSMIC-2衛星，由大學在校學生設計的OCULUS衛星和PROX-1，以及幾顆立方星。

本次發射也是獵鷹重型火箭參與美國“國家安全空間發射”計劃的驗證飛行，只有通過多次驗證飛行證實火箭的技術水平后，獵鷹重型火箭才有可能通過該計劃發射美國國防與安全部門價值較高的敏感衛星。同時，美國國防部門也系統通過獵鷹重型火箭的飛行，積累使用可重復使用火箭實施發射任務的經驗，為未來制定針對可重復使用火箭的政策和程序探路。