令人矚目的人類首次火箭回收試驗

Lsquirrel

2015年1月10日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）進行CRS-5任務(wù)的發(fā)射，使用龍式飛船執(zhí)行例行的國際空間站貨運任務(wù)。不過，對于絕大多數(shù)航天專家和愛好者來說，這次發(fā)射任務(wù)更值得關(guān)注的是獵鷹9號（Falcon 9）火箭第一級的海上回收試驗，因為這是人類第一次真正意義上的火箭回收試驗。

北京時間2015年1月10日17：47，由 SpaceX研制的獵鷹9號運載火箭在歷經(jīng)兩次推遲后終于成功發(fā)射，其搭載的“龍”飛船已成功進入預(yù)定軌道，NASA稱飛船一切正常，但火箭的回收工作卻遭遇了挫折。SpaceX的CEO伊隆·馬斯克在推特中表示：“火箭（回落時）趕上了海洋平臺，但著陸時發(fā)生了狀況（硬著陸），接近成功，但最終功虧一簣?！?/p>

此前，官方形容回收難度：“就像你在風暴里嘗試用單手掌使一個豎立的掃把保持平衡”，由于火箭一級返回初始速度高達1300m/s，而最終落地的精度要求在10米以內(nèi)，并保持2m/s的速度落到海洋平臺上。伊隆·馬斯克之前曾表示，回收的成功率應(yīng)該不會超過50%。

火箭在回落過程中很可能沒有控制好速度，導(dǎo)致其與海洋回收平臺發(fā)生了“碰撞”，使平臺受損，“碰撞”對后面的回收工作造成了一定的影響，正如馬斯克所說，這次的回收算不上成功。

實際上，如果“獵鷹9號”可回收火箭能成功實現(xiàn)回收，對太空探索領(lǐng)域來說將具有跨時代的意義，通過該火箭的自主返回技術(shù)，它將大幅縮減太空旅行的花銷。據(jù)估計，若能實現(xiàn)火箭的全面回收，預(yù)期發(fā)射成本將降低99%。

無論有沒有關(guān)注過航天，任何人對航天發(fā)射的高昂費用恐怕都有所耳聞。SpaceX以發(fā)射價格低廉而聞名，可是上官網(wǎng)查查它的發(fā)射報價，主力獵鷹9號火箭一次發(fā)射也要5650萬美元，折算成人民幣就是3.5億元。

居高不下的航天發(fā)射成本，制約著航天工業(yè)的發(fā)展。

那么，有沒有辦法降低成本呢？其實一枚火箭的成本，燃料僅占很小一部分，火箭的導(dǎo)航制導(dǎo)控制、儲箱和發(fā)動機等部分，才是絕對的大頭。如果一枚火箭可以重復(fù)使用，就可以大大降低成本。于是，工程師提出了可重復(fù)使用航天器的概念，試圖從根本上降低成本。只是誰也不曾想到，這條道路竟然如此艱難和漫長。

人類進入航天時代之初，激情澎湃的工程師提出了一個個今天看起來也極為震撼的方案。

美國通用動力公司1962年的Nexus火箭，高122米，直徑50米，起飛質(zhì)量約2.4萬噸，可將超過1000噸的載荷送入近地軌道。它采用的是單級入軌的設(shè)計。Nexus火箭將載荷送入軌道后，火箭整體再送入大氣層并落向大海，并使用反沖火箭降低濺落時的沖擊力?；鸺幼⑷剂虾螅纯衫^續(xù)投入發(fā)射。

從某種意義上說，Nexus火箭是今天獵鷹9號第一級再入海上回收的開山鼻祖，即使是50年前的設(shè)計，無論運輸能力之強還是概念的先進性，都要比獵鷹9號更為高端大氣上檔次！唯一的問題在于，它的研制難度實在太高，以至于到現(xiàn)在也不可能做得出來，只有谷歌的同名手機大行于世。

20世紀90年代，“航天飛機之父”馬科斯·穆勒參與創(chuàng)建了基斯特勒宇航公司（Kistler）。他們的K-1火箭開創(chuàng)性地提出第一級低速分離，自行飛回發(fā)射場，以及氣囊輔助降落傘著陸的可重復(fù)使用方案。K-1火箭也曾和SpaceX的獵鷹9號火箭一起入選美國航天局的商業(yè)軌道運輸服務(wù)（COTS），但由于進度超標等一系列因素，最終被軌道科學公司替換了。此后，基斯特勒宇航公司資金鏈斷裂，K-1火箭也胎死腹中。

馬科斯·穆勒是上一個時代的英雄，埃隆·馬斯克無疑是當代的英杰。

馬斯克認為，星際殖民是人類文明未來存續(xù)的關(guān)鍵，而廉價進入太空的能力，是航天大發(fā)展的根基。他認為只有重復(fù)使用的運載工具，才是人類航天的未來。

馬斯克曾以自己的獵鷹9號火箭舉例，火箭成本5000萬美元，但燃料費用僅有20萬美元。通過重復(fù)使用，理論上可以將成本降低為現(xiàn)在的1%。他更放出豪言，如果火箭發(fā)射報價不能降低為現(xiàn)在的1/20，他的努力就算失敗了。

說出這句話之前，馬斯克的SpaceX就在追求研制可重復(fù)使用運載工具。獵鷹火箭設(shè)計之初，就為回收利用的降落傘預(yù)留了位置，而獵鷹9號火箭的前幾次發(fā)射，也積極進行了降落傘回收的試驗。不過遺憾的是，火箭第一級再入后便失去聯(lián)系。

分析認為，無控再入大氣層時過載很大，還未減速降低到降落傘開傘的速度和高度，火箭第一級就已經(jīng)被撕碎解體了。SpaceX后來決定，為獵鷹9號火箭第一級增加冷氣噴射的姿態(tài)控制系統(tǒng)，維持其再入姿態(tài)，火箭第一級再次點火飛回發(fā)射場。不過馬斯克也沒有照搬穆勒的設(shè)計，而是提出一個新的方法：火箭第一級將受控垂直降落。

垂直起降（VTVL）航天器從來不是一個新鮮的設(shè)計，美國人很早就在探討這個概念?？上В@個大坑坑殺了無數(shù)前仆后繼的航天英豪。

馬斯克的“蚱蜢”和獵鷹9號返回試驗器之前，最著名的垂直起降航天器當屬麥道公司的三角快帆（DC-X）試驗飛行器。DC-X并不打算進行軌道飛行，而是用于驗證垂直起飛和降落的技術(shù)。

垂直起飛是運載火箭的主流，但垂直降落還沒人實現(xiàn)。DC-X試驗飛行器成功進行了多次試飛，驗證了飛行和垂直降落的技術(shù)，飛行時間從59秒逐漸增加到136秒，最高高度達到2500米——這是SpaceX的“蚱蜢”飛行器至今沒能達到的記錄。

盡管DC-X及后續(xù)的DC-XA試驗經(jīng)歷過兩次飛行器墜地事故，但總的來說，三角快帆系列實驗相當成功，以幾千萬美元的經(jīng)費進行了垂直起降的驗證，獲得了大量的技術(shù)經(jīng)驗。美國航天工業(yè)的技術(shù)積累，很大程度上就是DC-X這類驗證項目支撐起來的。

進入21世紀后，很多新興航天公司對垂直起降技術(shù)大感興趣。作為其中的佼佼者，藍色起源公司招攬了部分當年在麥道公司參與DC-X項目的人員，進行New Shepard垂直起降航天器的研制。它的縮比驗證飛行器在第二次試驗中飛到14000米高空，并達到1.4馬赫的速度。不過由于在高速飛行中失控，試驗飛行器墜毀，此后再無下文。

與失敗的前輩們相比，SpaceX最難能可貴的就是務(wù)實和堅持。他們研制“蚱蜢”垂直起降試驗飛行器，為火箭定點垂直著陸進行試驗。后來，該公司又改裝了一個獵鷹9號火箭的第一級（F9R）進行垂直起降試驗，計劃飛到更高的高度和速度。

與此同時，SpaceX還在進行獵鷹9號火箭第一級完整再入大氣層和著陸試驗，計劃實現(xiàn)火箭第一級再入并飛回發(fā)射場。他們不僅要進行重復(fù)使用，還要為更遙遠的快速周轉(zhuǎn)打下基礎(chǔ)。

2013年9月29日，獵鷹9號火箭第一級首次嘗試受控再入返回。這次飛行中第一級火箭成功完成了第二次點火減速、受控再入和第三次點火，但點火后箭體滾轉(zhuǎn)速度過快，說明姿態(tài)控制系統(tǒng)能力有所不足?；鸺谌吸c火成功后很快關(guān)機，箭體以45米/秒的速度摔壞了，不過這次成功足以讓人大喜過望。

值得一提的是，獵鷹9號火箭第一級的第二次點火是在高空高超音速下進行的，這對火星探測有很大的意義。

由于火星大氣過稀薄減速慢，現(xiàn)有的亞音速降落傘只能在低海拔地區(qū)使用，要降落到高海拔地區(qū)需要難度極大的超音速降落傘或是高空火箭反推技術(shù)。SpaceX進行的世界首次高空高超音速下的點火，正是美國航天局夢寐以求但暫時沒有預(yù)算進行研制的技術(shù)。

2014年4月22日的CRS-3貨運任務(wù)中，獵鷹9號火箭第一級進行了第二次受控再入。箭體加上4只著陸腿后，火箭第一級姿態(tài)得到了很好的控制，海面上方的第三次點火成功將下落速度降到很低，第一級落水后還發(fā)送了8秒的信號，證明火箭第一級成功實現(xiàn)軟落水。可惜當時海上風浪很大，箭體最終還是破碎了。

受此鼓舞，SpaceX決定再次進行受控再入試驗，也就是此次進行的海上平臺降落試驗。

海上定點降落，主要難度在于駁船長寬只有300英尺×100英尺，而火箭第一級著陸腿展開后就有70英尺，加上駁船無法固定，精度達到10米以內(nèi)精確“命中靶心”十分困難。

不過，這次試驗第一級箭體綜合使用了反作用力控制系統(tǒng)、柵格翼氣動控制裝置、GPS定位系統(tǒng)和著陸雷達等多種手段，保證10米級別的制導(dǎo)降落精度并不太難。況且，啟動主發(fā)動機減速和垂直降落，更是“蚱蜢”和F9R飛行器曾多次試驗過的內(nèi)容?？偟恼f來，這次試驗的難度要比前兩次試驗小一些。但不幸的是，試驗最終還是失敗了。

獵鷹9號的這次試驗，是人類現(xiàn)役運載火箭的第一次回收試驗，它意味著，人類距離火箭第一級的重復(fù)使用將只有一步之遙。試驗雖然最后還是失敗了，但我們期待著SpaceX能獲得一枚完整的火箭第一級，更期待他們能在不遠的將來實現(xiàn)火箭的重復(fù)使用，從而大幅度降低火箭發(fā)射費用，造福于人類的航天事業(yè)?。▉碓矗候v訊網(wǎng) 責任編輯/余風）