運(yùn)載火箭空中回收技術(shù)研究

汪小衛(wèi) 鄭正路 張雨佳 吳勝寶 高朝輝

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部，北京 100076）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，重復(fù)使用成為未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一，國內(nèi)外開展了大量研究工作[1-7]。實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，首先需要解決運(yùn)載火箭子級回收技術(shù)。空中回收是火箭子級回收方式之一，具備無損、精確、快速、機(jī)動等優(yōu)點(diǎn)，因此具有重要的研究價(jià)值。美國自20 世紀(jì)60年代以來已進(jìn)行了數(shù)百次的空中回收技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，近年來“火神”火箭和“電子號”火箭也針對空中回收技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)[8-9]，以期通過火箭重復(fù)使用降低發(fā)射成本，但目前仍處于技術(shù)攻關(guān)階段，尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。空中回收作為一種火箭回收方式，在廉價(jià)快速進(jìn)入空間、滿足航區(qū)安全、拓展各種類型飛行器的回收、帶動新技術(shù)發(fā)展等方面具有廣泛的需求，應(yīng)用前景廣闊。

1）滿足廉價(jià)、快速、可靠進(jìn)入空間的需求。子級回收和重復(fù)使用是降低火箭成本的重要途徑。開展子級重復(fù)使用運(yùn)載火箭研究，通過“多次使用，費(fèi)用均攤”，可降低運(yùn)載火箭發(fā)射成本，提升我國火箭在國際商業(yè)發(fā)射市場的競爭力。一般來說運(yùn)載火箭子級回收主流方式有三大類：傘降回收、垂直返回和帶翼飛回，其中傘降回收又可分為陸地、海上和空中回收三種類型[3-4]。不同類型回收方式有各自特點(diǎn)（如表1 所示），其中空中回收方式繼承了傘降回收技術(shù)的高成熟度，具有對運(yùn)載系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)影響小、運(yùn)載能力損失小、對發(fā)動機(jī)技術(shù)要求低等優(yōu)勢，同時(shí)其利用空中飛行平臺在空中對回收體能夠進(jìn)行勾取操作，避免了降落傘回收落點(diǎn)精度不高的缺點(diǎn)，具有定點(diǎn)回收優(yōu)勢；空中回收技術(shù)還避免了陸地回收的地形影響和著陸沖擊，也避免了海上回收的高濕、高鹽海水的影響，重復(fù)使用性好；空中回收的技術(shù)難度主要體現(xiàn)在空中平臺對回收體+降落傘系統(tǒng)的空中掛取設(shè)計(jì)與操作上，運(yùn)載火箭本身僅需做動力艙段分離和安裝降落傘回收系統(tǒng)等適當(dāng)改進(jìn)即可，技術(shù)難度適中。

表1 不同回收方式對比Tab.1 Comparison of different recovery methods

開展運(yùn)載火箭空中安全回收和重復(fù)使用技術(shù)研究，形成我國安全可靠的運(yùn)載火箭子級回收技術(shù)，能夠?yàn)榇蠓档瓦\(yùn)載火箭的發(fā)射成本提供相關(guān)技術(shù)途徑。

2）滿足航天發(fā)射航區(qū)安全的需求。從地理位置來看，酒泉、西昌和太原三個(gè)發(fā)射場均處于內(nèi)陸地區(qū)，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，航區(qū)和落區(qū)安全問題變得日益突出，現(xiàn)在每次發(fā)射都要投入大量人力、物力、財(cái)力疏散航區(qū)和落區(qū)群眾，使航天發(fā)射成本增加。運(yùn)載火箭發(fā)射的航區(qū)安全問題已成為我國航天發(fā)射亟需解決的問題之一。在空中回收重復(fù)使用運(yùn)載火箭的發(fā)射任務(wù)中，通過飛機(jī)在空中對已完成任務(wù)的火箭子級實(shí)施回收，借助于飛機(jī)返回發(fā)射場或指定地點(diǎn)，這樣就直接解決了落區(qū)安全問題。

3）我國各類高空試驗(yàn)飛行器及再入返回式飛行器回收需求。空中回收作為一種飛行器回收方式，其利用直升機(jī)等平臺實(shí)施空中掛取回收，相關(guān)研究成果具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，形成的技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)儲備，既可以推廣應(yīng)用到我國現(xiàn)役（在研運(yùn)載火箭、重復(fù)使用飛行器等領(lǐng)域，也可以廣泛應(yīng)用到各類返回式衛(wèi)星、空間飛行器、高空試驗(yàn)艙等），具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。國外特別是美國，在20 世紀(jì)60年代就開展了大量空中回收任務(wù)，在無人機(jī)、巡航導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天器返回艙等高價(jià)值載荷回收任務(wù)中，空中回收技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，直到21 世紀(jì)仍在開展返回式衛(wèi)星的空中回收工作[10-16]。

4）帶動航天技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，促進(jìn)我國國防科技建設(shè)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，不僅要從運(yùn)載器氣動、材料結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、重復(fù)使用發(fā)動機(jī)、制導(dǎo)控制、著陸返回等關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，還要從設(shè)計(jì)理念、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、評價(jià)體系、運(yùn)行模式等方面進(jìn)行深度轉(zhuǎn)變。開展子級重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研究，將進(jìn)一步帶動相關(guān)技術(shù)和學(xué)科的整體進(jìn)步，推動航天航空技術(shù)融合發(fā)展，形成新的技術(shù)增長點(diǎn)，可大大促進(jìn)我國國防科技建設(shè)。

前期，我國開展了一定空中回收系統(tǒng)技術(shù)的研究工作[17-19]，但針對運(yùn)載火箭的空中回收技術(shù)尚未開展研究。

1 國外研究情況分析

由于空中回收技術(shù)具有無損、精確、快速、機(jī)動等優(yōu)點(diǎn)，美國早在20 世紀(jì)60年代就已經(jīng)針對回收偵察衛(wèi)星、生物衛(wèi)星、無人駕駛飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等航天器或飛行器開展了大量空中回收任務(wù)，如今已發(fā)展成為一種獨(dú)立而完整的回收技術(shù)，其回收成功率由初期的65%提高到95%。直到21 世紀(jì)，美國仍在開展返回式航天器的空中回收工作，且首先提出了運(yùn)載火箭的空中回收，并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證[4-8]。

（1）各類飛行器空中回收技術(shù)的發(fā)展

美軍于1958年8月1日在夏威夷成立了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)——6593 中隊(duì)，使用C-119 運(yùn)輸機(jī)，以空中抓取的方式回收偵查衛(wèi)星。1960年8月19日，經(jīng)過改裝的C-119 運(yùn)輸機(jī)成功回收代號“探索-14”的返回式衛(wèi)星，正式開啟了空中回收的歷史[8]。

隨著裝備升級以及技術(shù)的日漸成熟，6593 中隊(duì)開始執(zhí)行更加多樣化的回收任務(wù)，包括回收返回式衛(wèi)星、高空試驗(yàn)艙、空射火箭和巡航導(dǎo)彈等等。至1972年，6593 中隊(duì)共進(jìn)行數(shù)百次的空中回收任務(wù)[8-9,18]。

1998年，美國宇航局實(shí)施了新世紀(jì)樣品返回艙計(jì)劃，其空中回收系統(tǒng)是美國洛·馬公司研制，該系統(tǒng)首次引入了高滑翔比的沖壓翼傘（如圖1 所示），相關(guān)研究表明基于翼傘的空中回收系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)[8]。洛·馬和Vertigo 公司共進(jìn)行了22 次翼傘空中回收，全部成功，充分表明了翼傘空中回收系統(tǒng)的可靠性。2004年，美國還利用空中回收方式開展了“起源號”太陽風(fēng)粒子探測器返回艙的回收工作[13]。

從20 世紀(jì)90年代初至2004年，美國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)實(shí)施的一系列直升機(jī)空中回收任務(wù)均取得了成功。

空中回收技術(shù)所采用的回收系統(tǒng)共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，當(dāng)前已發(fā)展到第三代空中回收系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量8000kg 左右的貨物的安全可靠回收[8,17-19]。

（2）運(yùn)載火箭空中回收的發(fā)展

圖1 翼傘空中回收系統(tǒng)示意Fig.1 Demonstration of the parafoil air reecoveryl system

圖2 掛鉤開啟和關(guān)閉狀態(tài)[9]Fig.2 The hook in unlock and lock status

2007年，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）開展了“宇宙神-5”火箭動力艙段的空中回收技術(shù)研究，以降低發(fā)射成本。在2007年和2008年分別開展了第三代空中回收系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)研究，圖2 所示為試驗(yàn)用掛鉤樣機(jī)，試驗(yàn)回收模型質(zhì)量340kg，直升機(jī)最大過載1.2gn[9]。

2015年4月，ULA 對外公布“火神”火箭方案。“火神”火箭為兩級半構(gòu)型，火箭芯級直徑為5m。在“火神”火箭的發(fā)展的第三階段，將采用敏感模塊自主返回技術(shù)（SMART）實(shí)現(xiàn)火箭一子級發(fā)動機(jī)回收及重復(fù)使用[4]。

火神火箭芯級主發(fā)動機(jī)為藍(lán)源公司研制的BE-4液氧甲烷發(fā)動機(jī)，具備重復(fù)使用能力。SMART 技術(shù)回收流程如圖3 所示，在一、二級分離后，火箭一子級動力艙段將脫離一子級，并在充氣式熱防護(hù)罩的保護(hù)下再入大氣層，然后依靠降落傘減速，最后由直升機(jī)在空中回收。ULA 公司表示推進(jìn)系統(tǒng)成本占整個(gè)一子級成本的65%，一子級發(fā)動機(jī)的回收利用將會使一子級推進(jìn)系統(tǒng)成本降低90%。

2017年，洛·馬公司開展了利用翼傘和智能掛鉤系統(tǒng)實(shí)施火箭子級模型的直升機(jī)空中回收飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)地點(diǎn)在蘇格蘭西南Mod West Freugh 濱海地區(qū)，試驗(yàn)采用兩架直升機(jī)（一架負(fù)責(zé)投放子級模型，一架負(fù)責(zé)空中回收任務(wù)）在離地高度1400m 高度投放，1100m 高度實(shí)施空中鉤取操作，試驗(yàn)取得圓滿成功，驗(yàn)證了直升機(jī)空中回收火箭子級的可行性。

圖3 SMART 技術(shù)回收流程Fig.3 The recovery process of SMART technology

2 運(yùn)載火箭空中回收典型技術(shù)方案

運(yùn)載火箭一子級空中回收典型流程如圖4 所示，運(yùn)載火箭從發(fā)射場發(fā)射后，當(dāng)?shù)竭_(dá)分離點(diǎn)時(shí)，一子級的主發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，由二子級完成運(yùn)送有效載荷到達(dá)預(yù)定軌道高度的任務(wù)；一子級分離后，利用反作用控制系統(tǒng)（RCS）調(diào)節(jié)一子級箭體姿態(tài)使其保持穩(wěn)定，動力艙段與子級分離；動力艙段分離后，利用RCS 調(diào)節(jié)動力艙段姿態(tài)，使其分離面指向速度方向。回收艙段分離后，與地面建立無線鏈路通信，外彈道測量系統(tǒng)獲取分離位置和速度；遙測數(shù)據(jù)和外彈道測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給回收指揮中心，回收指揮中心根據(jù)分離位置和速度、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等參數(shù)快速確定預(yù)定落點(diǎn)區(qū)域，并迅速通知待命直升機(jī)前往。

回收艙段再入大氣層前，充氣式裝置打開并充氣，充氣完成后充氣罩展開，充氣罩帶著動力艙段保持自穩(wěn)定狀態(tài)再入飛行。在10km 左右的高度動力艙段打開降落傘系統(tǒng)實(shí)施減速；當(dāng)下降到一定高度（2~4km），在落區(qū)范圍待命的直升機(jī)進(jìn)行空中掛取回收。

圖4 運(yùn)載火箭一子級空中回收典型流程示意Fig.4 The launch and aerial recovery of a launcher first stage

空中回收典型流程主要包括：

1）運(yùn)載火箭上升飛行段：一子級點(diǎn)火、程序轉(zhuǎn)彎、爬升，在77km 高度，一子級工作結(jié)束，與二子級分離，二子級繼續(xù)飛行，直至入軌。

2）一子級慣性飛行段：一子級分離后，一子級無動力慣性飛行，期間利用RCS 使一子級箭體姿態(tài)保持穩(wěn)定，動力艙段與一子級分離，利用RCS 調(diào)節(jié)動力艙段姿態(tài)，使其分離面指向速度方向，充氣式裝置打開并充氣。回收艙段分離后，外彈道測量系統(tǒng)獲取分離位置和速度，并快速確定預(yù)定落點(diǎn)區(qū)域，并迅速通知待命直升機(jī)前往可能落區(qū)。

3）再入返回段：充氣完成后充氣罩展開，充氣罩帶著動力艙段保持自穩(wěn)定狀態(tài)再入飛行。

4）空中獲取段：當(dāng)動力艙段下降到10km 左右高度時(shí)降落傘系統(tǒng)打開，降落傘將動力艙段速度減速到10m/s 以下；當(dāng)高度下降到指定高度（2~4.0km），落區(qū)范圍待命的直升機(jī)進(jìn)行空中掛取回收，并安全運(yùn)輸至指定地點(diǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）空中回收充氣展開系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

充氣式再入是一種在行星大氣再入過程中利用充氣形成的氣動外形，進(jìn)行防熱、減速和著陸減震的再入技術(shù)。再入過程中，耐高溫的柔性編織物折疊后包裹在再入載荷外圍，并在進(jìn)入大氣層前充氣，形成倒錐外形。充氣展開系統(tǒng)能夠有效保護(hù)再入載荷避免劇烈的氣動加熱，并有效地進(jìn)行氣動減速，最終以安全的速度著陸。

運(yùn)載火箭空中回收中應(yīng)用的充氣式展開系統(tǒng)首先需要滿足質(zhì)量和安裝布局等需求，其在下降過程中，起到氣動穩(wěn)定的作用，以簡化控制系統(tǒng)和推進(jìn)劑消耗量，其外形設(shè)計(jì)要求能夠保證回收體整體處于氣動穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)滿足最小質(zhì)量和體積要求；在開展氣動外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還須考慮下降過程中的氣動熱效應(yīng)和防熱設(shè)計(jì)，進(jìn)行綜合優(yōu)化；另外，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是難點(diǎn)之一。

（2）回收體空中獲取技術(shù)

回收體空中獲取涉及到降落傘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和直升機(jī)空中掛取設(shè)計(jì)。

降落傘的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)方面的設(shè)計(jì)影響：首先，需要滿足總體的質(zhì)量指標(biāo)和布局安裝等設(shè)計(jì)要求，還需滿足空中彈傘和開傘等要求；另外，開展空中回收，翼傘開傘后的橫向速度和垂直速度設(shè)計(jì)需要與直升機(jī)空中操作的安全速度相適應(yīng)，需要設(shè)計(jì)相關(guān)的鉤掛子系統(tǒng)以便直升機(jī)實(shí)施空中掛取操作，要求翼傘系統(tǒng)能夠適應(yīng)空中回收而進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)；此外，翼傘還需滿足一定的歸航能力，使回收艙段的落區(qū)范圍最小，保證直升機(jī)空中操作時(shí)間足夠長。

空中獲取技術(shù)涉及的難點(diǎn)主要有：直升機(jī)空中掛取流程設(shè)計(jì)，直升機(jī)旋翼氣流對空中掛取裝置穩(wěn)定性和掛取過程的影響，掛取過程對直升機(jī)過載影響智能空中掛取系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，智能空中掛取系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)與翼傘+回收體系統(tǒng)安全可靠掛取的關(guān)鍵，需要其具備自動觸發(fā)及防誤觸、單向鎖緊、開閉狀態(tài)自主判斷、過載保護(hù)、過載測量與信號傳輸?shù)裙δ堋?/p>

（3）回收體與子級分離技術(shù)

空中回收的回收體一般為昂貴的動力艙段部分，動力艙段與子級的分離不僅涉及到箭體外部殼體的分離，還包括推進(jìn)劑管路的分離。回收體與子級的分離是空中回收的關(guān)鍵步驟，要求回收體殼段與火箭子級殼段以及回收體的管路與火箭子級的管路可靠連接與分離。在分離時(shí)，由于分離界面連接復(fù)雜，且分離間隙較小，對于分離時(shí)的安全性要求較高。尤其對于液體輸送管路而言，在飛行過程中需要保證推進(jìn)劑輸送順暢，同時(shí)又要保證整個(gè)回收體管路密封可靠，能夠按指令完成解鎖、分離脫落動作。由于涉及到多個(gè)分離面，分離的同步性要求較高，這對于整個(gè)分離過程提出了更高的要求。

4 結(jié)束語

本文對運(yùn)載火箭空中回收技術(shù)進(jìn)行了需求分析，對國外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合典型運(yùn)載火箭空中回收總體技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)分析，得到如下認(rèn)識：

1）空中回收在廉價(jià)快速進(jìn)入空間、滿足航區(qū)安全、拓展各種類型飛行器的回收、帶動新技術(shù)發(fā)展等方面具有廣泛的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值；

2）空中回收作為運(yùn)載火箭回收方式之一，避免了陸上和海上回收的相關(guān)缺點(diǎn)，具有無損、精確、快速、機(jī)動等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)難度較小技術(shù)成熟度相對較高，在美國已具備了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；

3）空中回收能夠有效應(yīng)用于運(yùn)載火箭昂貴的動力艙段的回收，回收方案和關(guān)鍵技術(shù)明確，可盡快開展飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。