“傘降海撈”和“垂直反推”誰才是火箭實驗室的“真愛”

文/田豐

2023 年7 月18 日，火箭實驗室公司（以下簡稱“公司”）的電子號小型運載火箭執行了其第39 次發射，此次發射中，火箭成功將7 顆小衛星成功送入太陽同步軌道。但本次任務中最受關注的并不是載荷，而是公司首次采用“箭體傘降，緩降落海，船只打撈”的新方案嘗試回收火箭一級。

▲ 打撈電子號運載火箭一級

回收方案大改“空接”變成“海撈”

“電子號”是一款高18 米，直徑1.2 米，起飛質量12.5 噸，低軌運力僅有300 千克的兩級小型運載火箭。該火箭原始設計是傳統一次性運載火箭，然而受近年來火箭回收風潮的影響，公司于2019 年決定采用降落傘緩降+直升機空中捕獲的方式進行回收?！半娮犹枴笔且后w運載火箭，采用碳纖維復合材料貯箱，不同于航天飛機時代曾采用傘降落?；厥盏匿摎す腆w助推器，落海的沖擊和水中的鹽分都有可能對“電子號”的貯箱、發動機和航電設備造成損傷和腐蝕，因此公司經評估后一直力圖從空中“捕獲”火箭，從而減少復用翻修的工作量。

此后，經過為期3 年的再入防熱、傘降控制、直升機跟蹤等各項實驗后，公司在2022 年兩次嘗試使用直升機機體下方的專用捕獲鉤“攔截”箭體。2022 年5 月的首次試驗中，直升機成功捕獲箭體，然后再將箭體投放至專用回收船上，但捕獲后直升機機組發現下方懸吊的箭體與之前模擬箭體重量不同，安全起見機組只能切斷繩索，讓箭體墜落水面，試驗宣告失敗。2022 年11 月，第二次試驗中因箭體遙測信號丟失，安全起見只得放棄回收，試驗再次失敗。

兩次失敗的試驗結果，加上對落海后打撈箭體的評估分析，2023 年公司毅然決定直接放棄高風險的“空接”環節，直接在發射中嘗試“傘降緩落+海上打撈”的新回收模式。

此次發射的火箭升空約2 分30秒后，一二級按發射程序正常分離，二級點火后繼續正常執行任務。而一級關機分離后開始下降，首先打開引導傘穩定箭體姿態，隨后降落傘打開減緩箭體下落速度，同時攜帶的信標系統持續發送箭體坐標。

箭體平穩落水后，專用回收船將其成功打撈，公司宣布試驗成功，并表示打撈后的火箭一級狀態良好，不過尚不能給出實現重復使用時間表。在后續進行若干次相關試驗后，有望在今年晚些時候先行實現發動機的回收復用。

空接歷史“悠久”方案不斷迭代

在回收方式的迭代中，從“捕獲”向“打撈”轉變并非火箭實驗室公司的專利，太空探索技術公司在嘗試利用帶網回收船捕獲獵鷹9 火箭整流罩的試驗過程中，也曾因捕獲難度高、氣象條件制約顯著，最終宣告放棄捕獲，改為落海后打撈。一項創新技術和模式，勢必在試驗過程中不斷嘗試和總結，在遭遇瓶頸和獲取足夠支撐數據時及時調整成新的可行方案是完全合理的。

不過縱觀航天史，用飛機從空中捕獲傘降物并非“技術突破”。早在冷戰時期美國國家偵察局研發“鎖眼”系列偵察衛星時，限于當時的技術水平，“鎖眼”早期型號的遙感圖像只能儲存在特制膠卷中，并放置在小型返回艙中，拍滿后返回艙與衛星分離并再入大氣層。返回艙打開降落傘后即由帶有捕獲鉤的固定翼飛機在空中捕獲。根據歷史數據，空中捕獲方案受制于落區天氣、飛行員操作水平等不可控因素影響，回收成功率不足70%。而電子號火箭一級無論是體積、重量都遠高于膠卷返回艙，回收難度更高，所以空接試驗屢屢失敗也在情理之中。

有“鎖眼”返回艙的“教訓”在前，火箭實驗室公司為何還采用這種方案呢？業界普遍認為這是火箭自身體量和技術水平掣肘下的無奈之舉。若采用“獵鷹9”垂直起降方案，不僅需增設多種設備，還需預留回收反推用推進劑，使有效運力驟減，這對運力本就不大的“電子號”而言幾乎是不可行的。因此，公司不得不另辟蹊徑。此外，“電子號”采用電池驅動的電動泵循環，為減輕死重采用了上升段電池可拋的設計，如果改為垂直起降方案，發動機就必須重復啟動并維持工作；還有為保證反推時發動機的穩定工作，貯箱也需要額外的推進劑沉底改造，這就不得不對“電子號”的原設計進行大刀闊斧的修改。這些變更不僅有可能拖慢“電子號”的發射頻度，還有可能影響型號成功率。根據消息，“電子號”配備傘降回收設備將導致10%～15%的有效運力損失，運力下降幅度顯著小于垂直起降方案。

在2022 年兩次失敗的空中捕獲嘗試后，公司重新評估了其風險和難度，尤其是空中捕獲失敗落海的火箭經過打撈和評估后，公司認為落海的火箭狀態仍可接受，甚至聲稱部分零部件已具備重復使用的條件。因此，2023 年3 月公司明確表示將放棄直升機空中捕獲的方案。而且公司還為火箭回收船增配了新的起重機和平臺，以減小將火箭從海面撈起時受損的可能。

單發復用小試牛刀

除了回收船的改進，公司還在箭體結構中加入了額外的防水材料，并強化了航電艙和發動機的密封結構。公司認為結合海況和任務性質，僅有50%的發射可以開展空中捕獲，而改為落海打撈后則可提升至70%。公司表示雖然落?；厥諘е虏糠至悴考o法復用，但是對比直升機空中捕獲的費用和成本，兩者的經濟性基本持平。此外，公司表示后續將根據任務的性質和客戶要求，僅在部分任務中使用復用火箭。這一說法與2017 年“獵鷹9”剛開始復用發射后類似，但事實上隨著回收火箭可靠性的不斷累積，太空探索技術公司逐步擴大復用火箭的適用范圍，現已在軍用、商業、載人任務中普遍使用復用火箭，單芯級最高復用次數已經高達17 次，而全新火箭發射反倒成為稀罕事兒。

▲ 碳纖維貯箱試驗件

▲ 首次復用發動機發射，也是“電子號”第40 次發射

就在火箭實驗室公司宣布“空接”改“海撈”一個月后，8 月23 日，“火箭實驗室”又成功進行了一次發射，將卡佩拉航天公司（Capella Space)的一顆空間雷達成像衛星送入軌道。但此次發射最引人矚目的是電子號火箭一級9 臺“盧瑟福”發動機中，有一臺是之前泡水回收后翻修的復用發動機。這是人類航天史上第一次在軌道級發射中公開復用海水浸泡后翻修的發動機，打破了液體火箭發動機泡水不能復用的禁忌。

一般認為液體火箭發動機結構精密復雜，被具有腐蝕性的海水浸沒后幾乎失去復用價值，此前從未有過液體火箭發動機被水泡后進行翻修發射的記錄。但公司在實際打撈回收后，重新評估了發動機狀態，加之“盧瑟福”發動機本身“電動泵”循環的特殊結構（沒有燃氣發生器），再加上額外的密封結構，使之具備了水泡后重復使用的可能。公司表示，這臺復用發動機已經過多次點火試車驗證，在此次發射中表現堪稱完美。

此次發射復用的發動機來自前文提及的2022 年5 月的發射，這次回收試驗中雖然切斷纜繩使火箭掉落海中，但最終還是被回收船成功打撈，發動機經拆解檢查和翻修后用于此次任務。“火箭實驗室”表示，這次發動機復用發射為后續的一級整體復用提供了充足的信心。后續還將繼續摸索，年內準備復用整個水泡的火箭一級。但公司并未透露具體的時間表，僅表示將在年內進行。

新火箭改用垂直反推

雖然“火箭實驗室”在傘降回收模式上“漸入佳境”，但并不代表這家公司要在“傘降+打撈”模式上“一條路走到黑”。2022 年，“火箭實驗室”高調宣布研發名為“中子號”的新型火箭，該火箭高42.8 米，直徑7 米，起飛質量480 噸。其體量遠超現役的電子號火箭，隨之而來的就是“中子號”進行傘降回收的難度陡增。因此公司在發布會上明確表示將采用類似“獵鷹9”的垂直起降方案。但為體現差異化，公司設計出超長的一級箭體，整流罩直接連接在一級頂端，形成了“罩箭一體”的方案，而火箭二級和載荷則被整體包裹在超長整流罩內，變成了類似“半人馬”的“罩內上面級”。如此一來，火箭一級和整流罩就可一次性整體降落在 回收平臺上，而不必分別實施回收。

▲ 安裝完翻修發動機后的一級，可見一臺發動機噴管顏色較深

▲ 盧瑟福電泵循環發動機

眾所周知，“火箭實驗室”是火箭回收“武林大會”中“傘降派”僅存的“獨苗”。但實際上公司目前真正的設計重心是早早皈依“反推派”的“中子號”，而目前傘降回收得到的試驗數據也在用于“中子號”的迭代設計中。“中子號”的運力區間恰好與如日中天的“獵鷹9”重疊，由此可見火箭實驗室公司對10 噸級載荷覬覦已久，“中子號”才是未來數年間公司傾力打造的主力火箭。自去年首次公布后，火箭實驗室公司不斷更新“中子號”的最新設計和進展，足見其重視程度。

“中子號”的動力系統經過多輪迭代，發動機配置模式與自家“電子號”如出一轍，全箭只采用一款代號“阿基米德”（Archimedean）的發動機，一級9 臺并聯，二級為1 臺真空版。但為配合垂直起降回收方案，推進劑組合變為有利復用的液氧甲烷組合。同時發動機推力大增，推進劑的泵送功率需求也隨之大漲，而“盧瑟?！卑l動機的電動泵循環難以滿足要求，因此“阿基米德”放棄了自家招牌的電動泵，改為“傳統”的富氧分級燃燒循環（oxygen rich staged combustion）。公司宣稱該發動機并不追求極限性能，而是著眼于成本和可靠性，單機支持10～20 次發射。

除此之外，這次迭代還有4 點變化：首先是整箭的外形從前期的“水滴”形優化為傳統的“雪茄”形，公司表示這是經過氣動分析的改進。而按照慣例，這種外形也有利于提高整箭干質比。

其次是整流罩大幅縮短，從原設計的四瓣可開合式變成兩瓣可開合式。這樣，罩內包絡的火箭二級和載荷就從“半人馬”式分離變成了“子彈出膛”式分離，需要在罩內往前沖一段才能出罩，雖然會有碰撞風險，但已有成熟方案進行處理。該變更的優勢很明顯，整流罩開合結構明顯簡化，機構更可靠，結構重量也會下降。

此外，隨著整流罩開合部分縮短，控制翼面順勢前移，相當于火箭的氣動中心前移了，可以更好地控制箭體姿態。

最后，著陸腿改成“獵鷹9”式的可開合形式，而非最初的固定式。雖然這會導致著陸機構更重更復雜，但支腿展開面積更大，著陸裕度顯著增大。

此次更新后，公司也更新了不同回收模式下的運力水平。返場回收的近地軌道運力為8 噸，而海上回收模式為13 噸，一次性發射模式下15 噸。公司認為返場回收是理想狀態，無需考慮一級的周轉周期，也無需動用回收船。但公司表示13 噸的近地軌道運力是客戶綜合考慮后的最佳運力區間，因此公司優先以海上回收為藍本進行設計。而更大的可展開著陸腿，正是為適應海上回收時甲板會隨海浪晃動而做出的設計改進。

“中子號”二級采用一次性設計，因此公司稱目前研發重心首先是降低成本，然后就是降低二級干重，二級每減少1千克重量都代表多攜帶1千克載荷。公司謹慎維持2024 年首飛中子號火箭的時間表，但不排除推遲的可能。

總的來說，“中子號”的設計從側面印證了“獵鷹9”式的垂直起降方案確實已經成為近年來火箭回收的“標準范式”。即使是傘降回收領頭羊的火箭實驗室公司，也不得不在新火箭運力躍升后改為垂直起降回收方式。但各廠家自己也在發力改善“獵鷹9”回收方案的一些不足之處，比如“獵鷹9”整流罩需要單獨回收這一點就被火箭實驗室公司看在眼里，提出了全新的“罩箭一體”方案。這一方案如果成功，相對于“獵鷹9”，將徹底免去大海上撈整流罩的操作，進一步提高火箭的可回收比例，不失為一種新的思路。

總的來講，“電子號”傘降回收的這輪優化迭代不失為火箭復用領域的一次有益嘗試，尤其是對水泡發動機的翻修和復用，更是打破了火箭回收的思維定式。正所謂“一枝獨秀不是春，百花齊放春滿園”，越來越多的火箭回收方式使復用理念得到了前所未有的普及。

作為一家同時使用“傘降海撈”和“垂直起降”兩種回收方案的公司，對兩種回收方式的優劣可能深有體會。

傘降回收有投入少技術門檻低的顯著優點，尤其是擺脫對發動機深度節流、多次啟動、著陸緩沖機構、柵格舵和飛控算法的等關鍵技術的需求。理論上傘降回收僅需傘艙、定位信標和一艘回收船即可開展。但傘降回收的缺點也顯而易見，其對火箭自身規模、海況、安全性的限制，使其短期只能在中小型火箭上應用，難以撼動已經成熟的垂直起降回收方案。

自2015 年12 月“獵鷹9”首次成功回收算起，垂直反推方案經過太空探索技術公司長達8 年的摸索、完善、打磨，已經成為一套成熟完善且降本效果顯著直接的回收模式。尤其可貴的是，它保持了復用火箭發射成功率100%的紀錄。雖然其對火箭自身動力、防熱、飛控、材料等的嚴苛要求使這一方案至今仍無第二家能夠完成，但垂直反推模式已經被俄、歐、日、中等國所接納和采用。而且，該方案在“星艦”上的成功運用更顯示了反推回收方案對火箭體量的強大適應性?！爸凶犹枴蹦芊癯蔀榇怪狈赐苹厥贞嚑I的第二位實踐者，讓我們拭目以待。