垂直回收火箭風潮漸起
——淺析各國如何謀劃回收“大業”

文/ 田豐

2015年12月22日，太空探索技術公司（SpaceX）完成了獵鷹9火箭一級的首次回收；1年零3個月后，該公司首次重復發射回收翻修后的火箭一級，將SES-10通信衛星送入軌道，正式拉開了垂直起降部分回收運載火箭的時代。

截至目前，獵鷹9火箭服役已有10年，共執行95次發射任務，其中包含41次回收后的復用發射，占比約43%，且41次復用發射任務全部成功，成功率100%。此外，單芯級最多發射次數為6次，最短翻修周期已不足1個半月。“獵鷹9”的回收復用加之本身的低廉成本，直接沖擊了“宇宙神5”“質子號”“阿里安5”等運載火箭的商業發射訂單。

近年來，隨著“獵鷹9”這種垂直起降部分復用運載火箭的可靠性和經濟型逐步得到業界認可，其設計思路也逐步影響了世界各國火箭研發路線，多國相繼開始了回收火箭的“真香”之旅。目前除“獵鷹9”所屬的美國之外，中、俄、歐、日等都已開始在垂直起降可回收火箭上相繼發力，立項或規劃了多種技術驗證機和火箭型號。

表1 目前各國現役或在研的垂直起降可部分回收運載火箭

“畫風”突變的俄羅斯版“獵鷹9”

在對待復用火箭的公開態度上，“畫風”轉變最大的要數俄羅斯。從“獵鷹9”開始蠶食俄質子號火箭市場開始，俄官方就一直在質疑其復用設計。俄航天集團負責人曾公開撰文稱太空探索技術公司利用高溢價的國防和美國宇航局發射訂單變相補貼其商業任務，以此達到惡性壓價搶奪市場的目的，低廉報價并非是回收和復用火箭的功勞。同時還稱俄方會采用代號“貝加爾”的有翼回收助推器方案達成真正的回收降本。

“貝加爾”源自蘇聯時期能源火箭的可回收助推器方案，助推器配置有機翼、噴氣發動機、進氣道、起落架，采用垂直起飛水平滑行著陸的思路，但一直停留在設想階段。

然而就在不久前，俄羅斯航天國家集團公司正式發布了其新一代商業化甲烷可回收運載火箭，該火箭名為“阿穆爾”（Amur）。火箭設計方案一改以往蘇聯遺產堆砌風，采用低成本商業化可回收火箭思路，并且結合俄本土特色規劃了一套回收體系。

“阿穆爾”全箭采用液氧甲烷（天然氣）推進劑，兩級設計，一級采用垂直起飛反推回收的思路，裝有5臺RD-0169A發動機，海平面推力100噸左右。火箭二級為一次性使用，采用與一級同型發動機的真空版RD-169V，但僅安裝一臺，真空推力110噸左右。

阿穆爾火箭高55米，起飛質量360噸，直徑4.1米，整流罩直徑5.1米，一級安裝有回收用的可收放支腿和柵格舵。近地軌道的可回收運力10.5噸，同時具備一次性發射能力，運力12.5噸，高于目前聯盟2火箭的8.5噸運力。俄方稱火箭貯箱將采用共底設計；在可靠性設計上，在大幅降低火箭零件數的同時，一級發動機還將具備推力冗余設計，在其中一臺發動機發生故障關機的情況下，其余發動機可以增大推力并延長燃燒時間，以確保任務成功。除此之外，“阿穆爾”還預留了后續運力增強的設計空間，可配備“弗雷蓋特”系列上面級來支撐高軌發射任務。火箭一級初期設計重復使用10次，成熟后結合回收及復用，每年將具備15次發射的能力。

▲ “阿穆爾”火箭著陸概念圖

▲ 甲烷動力火箭“阿穆爾”概念模型

俄式特色回收體系

火箭回收方式與目前已經成熟的獵鷹9火箭的海上回收方案類似，一級分離后不會掉頭飛回發射場，而是沿既定彈道方向回收。得益于俄羅斯地廣人稀幅員遼闊的特點，火箭即使不掉頭飛回發射場仍可在陸地著陸。目前暫定在俄哈巴羅夫斯克地區靠近鄂霍次克海的南部海岸著陸。

發射和回收過程中，“阿穆爾”一級的五臺發動機在上升段全部點火工作。一級關機分離后，下降過程為減小箭體熱流峰值，中央發動機會再次點火進行反推減速，下降段全程采用柵格舵調整火箭姿態和方向，直到著陸前中央發動機再次點火進行著陸反推。火箭著陸后會自動進行推進劑泄放，然后用專用設備收起腿和柵格舵，放倒后裝入專用集裝箱運回翻修場所。運輸方案可選擇傳統的鐵路運輸返回，俄方還提出了使用米-26重型直升機調運的新方案。俄方表示，火箭翻修將大量應用無損檢測手段，減少拆解和檢修工作量。發射設施也會高度簡化，采用全自動無人值守發射系統。為吸引游客還建有發射觀禮平臺，總裝廠房增設獨立參觀通道。

目前俄方預估初步設計將花費4億盧布，而從研發到火箭首飛將耗資700億盧布。為從商業化角度出發并盡早收回投資，俄方表示阿穆爾火箭將積極競標俄羅斯自建的“球”（Sphere）星座的發射合同，而且該火箭還將考慮作為俄下一代重型火箭的助推器。該方案類似“天頂”火箭，其一級曾作為“能源”系列重型運載火箭的助推器。俄方稱回收且無上面級版本的發射成本低至2200萬美元，一次性無上面級版本約為3000萬美元，配備上面級后將提高至3500萬美元左右。

“眾神云集”——漸進成熟的歐洲回收火箭

歐洲正在研發的下一代主力運載火箭是阿里安6，這是標準的一次性運載火箭。其全面研發開始于2016年左右，當時“獵鷹9”的回收復用只不過初露端倪，所以“阿里安6”設計上意圖通過簡化貯箱和發動機設計，提高增材制造比例，采用通用固體助推器等方式降低火箭成本，意圖重奪國際商業航天發射市場訂單。因此，阿里安6火箭在性能上相對于前一代“阿里安5”反而有所倒退。但“阿里安6”自身研發成本不菲，未來發射成本和報價下降的空間相對有限；即使如期首飛可能也難以正面與復用的“獵鷹9”相競爭。因此，以法國為首的歐洲各國，也開始了復用火箭研發之路。

▲ 歐洲發動機成本路線

▲ 歐洲可回收火箭發展路線圖

歐洲火箭多采用神話中的神祗命名，因此整個復用技術研發路線圖可謂是“眾神云集”。航天人常說——“火箭升空，動力先行”，整個路線圖中最先啟動的是重復使用發動機的研制。2017年由法國牽頭，歐洲空間局資助8500萬歐元，正式開始研發名為“普羅米修斯”的液氧甲烷發動機。該發動機推力百噸左右，為降低發動機成本，泵殼及葉輪將大量采用增材制造技術，設計上選用了簡單的燃氣發生器循環，成本目標為降至“阿里安6”一級發動機“芬奇2.1”的十分之一，即100萬歐元，同時配以流水線化的生產模式，目標年產量可達到100臺。歐洲后續可回收火箭項目均以此發動機為核心展開，參數詳見表2。

表2 2017年公布的普羅米修斯發動機參數

除動力系統外，為驗證回收過程中的制導／導航與控制技術，法國和德國各自研發驗證飛行器，分別試用了不同的制導策略，重點集中在在線軌跡規劃技術。之后的2017年，法國、德國聯合日本開始研發名為“克里斯托”的垂直回收驗證機，作用類似于太空探索技術公司的“蚱蜢”，為“普羅米修斯”及后續可回收火箭做技術儲備。但限于規模和進度，“克里斯托”未能采用“普羅米修斯”發動機，而是將采用其他較小的變推力發動機做替代。“克里斯托”計劃2022年具備驗證條件，并開展10次左右的飛行試驗，驗證包括制導控制技術在內的垂直起降關鍵技術。

▲ 配備普羅米修斯的發動機艙

而“普羅米修斯”的正式登場則要等到名為“忒彌斯”的亞軌道垂直回收火箭，類似于太空探索技術公司的F9R，作為未來軌道級火箭一級的設計參考。“忒彌斯”預計采用7臺“普羅米修斯”發動機，計劃于2023-2025年之間開展驗證飛行。“忒彌斯”成熟之后將為名為“阿里安 7”（又稱Ariane Next）真正可垂直起降部分回收運載火箭提供設計支撐，因此“阿里安7”按規劃要在2025－2030年間方可首飛。歐洲的方案可謂是循序漸進，步步為營，路線清晰可行，但進度和經費受自家“阿里安6”的擠占，目前的“阿里安7”的設計尚未明朗，即使能如期首飛，到時業界情況也難以預料。

不甘人后的日本和美國友商

日本的運載火箭發展路線與歐洲類似，在造價高昂的H-2系列火箭之后，規劃了類似“阿里安6”的低成本一次性運載火箭H-3。但隨著可回收火箭風頭正勁，加之回收復用體系成熟和成本優勢日益顯露，日本也打起了可回收火箭的算盤。日本的思路是一貫的雙面押寶，自研、合作雙管齊下，除前文所述參與法、德、日三國合研的“克里斯托”計劃之外，日本宇宙航空研究開發機構也獨立研發了代號RV-X的驗證飛行器。RV-X主要用于驗證著陸段的制導控制技術，除開展垂直起降飛行試驗外還為其后續國際合作積累經驗。而最終用于實際軌道發射的回收火箭設計，日本仍在規劃研究中。

有趣的是，作為太空探索技術公司所在國，美國其他火箭制造商對垂直起降回收思路反倒是應者寥寥，僅有“藍色起源”一家采用類似思路。而最具實力的聯合發射聯盟在研的“火神”火箭，因芯一級僅采用兩臺BE-4發動機，難以進行垂直起降回收，只得另行規劃了稱為“智能回收”的發動機傘降回收計劃。

▲ 普羅米修斯發動機

▲ “普羅米修斯”在工作臺上

▲ 克里斯托垂直回收驗證機

自從太空探索技術公司鋪平了垂直起降回收復用道路后，美、中、歐、俄、日都相繼開展了相關工作。縱觀目前各國在研或規劃中的垂直起降回收火箭，不難發現諸多共同點，雖然各家出發點互不相同，但結果卻是“殊途同歸”。首先各家的首要目的都是降低發射成本，以提高競爭力和發射頻率，而回收復用能夠有效降低成本的前提是一型火箭本身的研發和制造成本要相對低。反之，如果一款復用火箭本身研制成本高企不下，即使能夠復用，其成本依然難與一次性火箭相較高下，航天飛機黯然退役的結局殷鑒不遠。因此各家在設計上大多采用同一種發動機的不同版本，發動機的循環類型以設計簡單成本低的燃氣發生器循環為主，還普遍采用了增材制造技術。

▲ “蚱蜢”系留試驗

除此之外，考慮發動機翻修條件，新研回收火箭不約而同采用了低積碳（結焦）的液氧甲烷作為主要推進劑組合。同時因液氧和甲烷沸點溫差僅20攝氏度，貯箱共底難度相對其他推進劑組合大幅降低，多型火箭采用了共底設計，從側面拔高了火箭性能。還有發動機的并聯設計和變推力性能也為提高火箭可靠性的動力冗余設計提供了強有力的支撐。目前雖然一次性運載火箭仍是絕對主流，但這股復用火箭之風呈漸盛之勢，足見業界已經對回收復用火箭是否可行、是否省錢、是否可靠3個關鍵問題有了初步的答案。 ★