運載火箭子級回收技術(shù)研究

汪小衛(wèi) 張普卓 吳勝寶 申麟

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運載火箭子級回收技術(shù)研究

汪小衛(wèi) 張普卓 吳勝寶 申麟

（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

運載火箭子級回收技術(shù)是航天領(lǐng)域的研究熱點之一，文章對運載火箭子級回收技術(shù)進(jìn)行了初步研究，并根據(jù)運載火箭子級回收的發(fā)展情況和技術(shù)特點，梳理出運載火箭子級回收的三種技術(shù)類型，分別為傘降回收、垂直返回和帶翼飛回式。根據(jù)這三種子級回收技術(shù)類型，對國際上的相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)行了分析總結(jié)，梳理出了三種回收方式的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)涵。文章進(jìn)一步從技術(shù)難度、對總體設(shè)計布局影響、運載能力損失和回收過程復(fù)雜性等方面，對不同的子級回收技術(shù)類型進(jìn)行了分析和對比，得到三種類型的回收方式各具特點，但傘降回收方式技術(shù)成熟度更高，最后給出了中國運載火箭子級回收技術(shù)初步發(fā)展建議。

子級回收 回收著陸 運載火箭

0 引言

隨著國際航天的發(fā)展，如何降低航天發(fā)射費用是整個航天工業(yè)界面臨的主要挑戰(zhàn)之一，而實現(xiàn)運載器的可重復(fù)使用是降低成本的重要措施。自20世紀(jì)50、60年代開始，世界各航天大國持續(xù)開展可重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)的研究，從早期美國研制的“X系列”驗證機、70年代研制成功的航天飛機到近年來私營公司SpaceX宣布研制可重復(fù)使用“獵鷹-9”火箭，期間還包括世界各國都提出了Skylon、NASP、FLPP、HOPE、Clipper、K-1火箭等概念[1-3]。從構(gòu)型技術(shù)特點上看，可重復(fù)使用運載器可以分為類似飛機的整體升力體式重復(fù)使用運載器和基于傳統(tǒng)火箭構(gòu)型的重復(fù)使用運載火箭兩大類。

重復(fù)使用運載火箭的整體構(gòu)型與傳統(tǒng)運載火箭沒有明顯差別，其總體設(shè)計相對于一次性運載火箭變化較小，技術(shù)基礎(chǔ)較好，成熟度較高。開展重復(fù)使用運載火箭研究的前提是開展運載火箭子級回收技術(shù)研究，比如當(dāng)前SpaceX公司正開展的“獵鷹-9R”火箭的試驗和研制均采用了垂直返回的方式；俄羅斯提出的“貝加爾號”助推器也采用了帶翼飛回式；航天飛機助推器、“戰(zhàn)神”火箭子級、K-1火箭和“火神”火箭都采用了傘降回收的方式。運載火箭子級和助推器的回收技術(shù)已然成為當(dāng)前航天領(lǐng)域的重要研究熱點，因此有必要對此開展深入跟蹤和相關(guān)研究。

1 國外運載火箭子級回收技術(shù)研究情況介紹

當(dāng)前國際上實現(xiàn)和開展了運載火箭子級回收的主要有：航天飛機助推器、“戰(zhàn)神I”一子級、“阿里安-5”助推器、美國“基斯特勒”火箭飛機公司的K-1火箭、麥道公司的“德爾它快帆”、美國SpaceX公司“獵鷹-9R”火箭、俄羅斯提出的“貝加爾號”助推器、美國ULA公司提出的“火神”火箭和歐洲空客公司提出的“可回收太空發(fā)射系統(tǒng)”（Advanced Expendable Launcher Innovative Engine Economy, ADELINE）。

按子級回收技術(shù)方式，運載火箭子級回收可分為傘降回收方式、垂直返回式和帶翼飛回式三種類型。

1.1 傘降回收

1.1.1 航天飛機助推器

航天飛機助推器（Solid Rocket Booster, SRB）是歷史上被降落傘回收的最大質(zhì)量載荷，也是歷史上唯一回收再重復(fù)使用的實用型火箭，其回收采用了有史以來最大的降落傘。航天飛機助推器回收工作流程如圖1所示。該助推器單元集成了上升、再入和回收所有的子系統(tǒng)。集成的助推器子系統(tǒng)包括：推力矢量控制、輔助動力單元、航電、煙火信號、射程安全系統(tǒng)、降落傘、熱防護、水上回收系統(tǒng)等。助推器通過連接結(jié)構(gòu)連接到外部燃料箱。

該助推器的技術(shù)難點包括子系統(tǒng)集成、熱環(huán)境和嚴(yán)重的載荷（包括著水沖擊），有時會造成硬件損壞。有些子系統(tǒng)都配合可重復(fù)使用要求進(jìn)行了改進(jìn)，包括熱防護系統(tǒng)、射程安全系統(tǒng)、降落傘/回收系統(tǒng)等。每個助推器使用3個主傘進(jìn)行減速，最終降落在海洋中。而海洋回收又帶來了一些如人員、設(shè)施、運輸和地面支持設(shè)備等問題[4]。

1.1.2 “戰(zhàn)神I-X”助推器

“戰(zhàn)神I-X”運載火箭是美國宇航局為了代替航天飛機而開發(fā)的，是新一代載人火箭“戰(zhàn)神I”的試驗火箭，火箭全長將近100m，已于2009年10月31日成功進(jìn)行試驗性發(fā)射[5]，試驗取得基本成功，后來由于“星座”計劃取消，“戰(zhàn)神”火箭也隨之終止。

“戰(zhàn)神I-X”的第一級源于航天飛機助推器SRB。與SRB的四段式工作模式不同的是，“戰(zhàn)神I”的一級分為五段，以提供更大的推力。另外將原本與航天飛機外貯箱的接口改換為與“戰(zhàn)神I-X”二級的接口。在回收技術(shù)方面，“戰(zhàn)神I-X”一級助推器基本沿用了SRB的回收方案?！皯?zhàn)神Ⅰ”第一級固體火箭回收程序見圖2[6]。

圖2 “戰(zhàn)神Ⅰ”第一級固體火箭回收程序示意

1.1.3 K-1運載火箭

美國基斯特勒公司的K-1火箭計劃始于1993年，期望通過重復(fù)使用降低運載器的發(fā)射費用，并用于商業(yè)發(fā)射。K-1火箭為二級完全可重復(fù)使用運載器，起飛后130s，一子級升高到41.2km高度時，與二子級分離。一子級分離體采用降落傘+緩沖氣囊的回收方案。結(jié)束有效載荷釋放后，二子級調(diào)整姿態(tài)，軌控發(fā)動機開始工作實現(xiàn)降軌、再入大氣層并向發(fā)射場返回，同樣采用降落傘+緩沖氣囊的回收方案[7-9]。

由于兩級完全可重復(fù)使用運載器的研制難度較大，且當(dāng)時項目經(jīng)費無法得到保障，K-1火箭的研制計劃出現(xiàn)起伏，經(jīng)過了一定的試驗驗證后，沒有最終投入實際應(yīng)用。對于K-1火箭的關(guān)鍵技術(shù)——運載火箭子級回收技術(shù)，由于項目下馬未能得到飛行驗證，但回收著陸系統(tǒng)的絕大部分研制試驗已經(jīng)完成，并通過飛機搭載演示驗證試驗，驗證了群傘+氣囊回收技術(shù)途徑的可行性。K-1火箭回收過程如圖3所示。

1.2 垂直返回

1.2.1 “德爾它快帆”

20世紀(jì)90年代，麥·道公司提出了“德爾它快帆”（DC-X/XA）方案。當(dāng)時，該方案成功中標(biāo)美國1990年8月提出的“單級入軌火箭技術(shù)計劃”，該方案采用垂直起降方式實現(xiàn)回收和重復(fù)使用，后來由于單級入軌計劃的終止，“德爾塔快帆”項目隨之終止。

在麥·道公司所進(jìn)行的12次DC-X/XA飛行試驗中，實現(xiàn)了最大飛行高度3 155m，驗證了單級火箭系統(tǒng)垂直起降、快速飛回和簡化地面保障技術(shù)?！暗聽査旆睘槲磥砜芍貜?fù)使用運載器的研制提供了豐富的技術(shù)、設(shè)計、制造和操作經(jīng)驗。DC-X/XA 12次飛行試驗對運載火箭垂直著陸技術(shù)進(jìn)行了充分驗證。圖4為“德爾它快帆”示意圖。

圖4 “德爾它快帆”示意圖

1.2.2 “獵鷹-9R”運載火箭

在K-1火箭之后，美國的SpaceX公司也開展了“獵鷹”火箭的可重復(fù)使用技術(shù)研究。2011年9月，SpaceX公司對外宣布了“獵鷹-9”火箭的可重復(fù)使用版（獵鷹-9R），完全可重復(fù)使用“獵鷹-9”火箭包括重復(fù)使用的一級、二級，第一級由亞軌道垂直返回發(fā)射場，第二級在軌道分離后，也是垂直返回發(fā)射場，兩級都是垂直下落，最后靠4個支架支撐著陸。支架在飛行期間可被折疊起來，在回收過程中，支架展開，支持回收部件安全垂直降落。一、二子級著陸示意，見圖5。

圖5 一、二子級著陸示意

為了研發(fā)完全可重復(fù)使用“獵鷹-9”火箭，SpaceX公司實施了“蚱蜢”計劃驗證垂直返回技術(shù)，并結(jié)合火箭發(fā)射任務(wù)，開展了一子級陸上和海上軟著陸試驗。各項試驗取得重要進(jìn)展，驗證了垂直返回技術(shù)的可行性?！膀乞臁贝怪逼鸾凋炞C機見圖6。

圖6 “蚱蜢”垂直起降驗證機

1.3 帶翼飛回式

1.3.1 “貝加爾號”

俄羅斯正在研制新型運載火箭“安哥拉”（Angara），針對該火箭推出了兩種助推器回收方案，其中一種是“貝加爾號”有翼助推器方案，另一種是傘降+直升機空中回收方案。

“貝加爾號”計劃開始于1998年底，其目的是降低運載火箭的操作成本以及使著陸場最小?！柏惣訝柼枴睘榈谝患墡б盹w回式助推器，它可飛回發(fā)射場以自動方式像飛機一樣著陸，重復(fù)使用多達(dá)100次。它有80％的凈質(zhì)量可以重復(fù)使用，預(yù)計可使發(fā)射成本比“質(zhì)子號”火箭降低30％～50％。“貝加爾號”在通用芯級助推器中的某些結(jié)構(gòu)部件和推進(jìn)部件采用了現(xiàn)成技術(shù)，同時具有一個可展開式機翼、尾翼和一臺輔助渦輪噴氣發(fā)動機[10-11]?？芍貜?fù)使用“貝加爾號”助推器模型如圖7所示。

圖7 可重復(fù)使用“貝加爾號”助推器模型

1.3.2 Adeline系統(tǒng)

在美國ULA公司公布可回收的Vulcan火箭后，歐洲空客集團也宣布他們正在開發(fā)可重復(fù)使用運載系統(tǒng)——Adeline。

該計劃將采用回收并重復(fù)利用運載火箭一子級的關(guān)鍵部件——發(fā)動機和電子設(shè)備，在火箭上升段中，Adeline將與火箭一子級分離，以5倍聲速再入大氣層。Adeline設(shè)計了兩個小型翼，并采用渦輪發(fā)動機提供返回過程中的動力，最終降落在預(yù)定跑道上。該計劃已于2010年啟動，并預(yù)計在2025年正式投入使用，投入使用后能夠有效降低發(fā)射成本20%~30%。Adeline系統(tǒng)正提議應(yīng)用于未來“阿里安-6”火箭上，除此以外Adeline系統(tǒng)仍可應(yīng)用于其它液體推進(jìn)劑運載火箭上。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

三種基于傳統(tǒng)運載火箭構(gòu)型的回收技術(shù)，傘降回收、垂直返回和帶翼飛回式，相對整體升力體式運載器來說，都具有更加成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，技術(shù)成熟度較高，其中飛回式助推器技術(shù)是升力體式運載器在運載火箭上應(yīng)用的體現(xiàn)，也是降低整體升力體式運載器研制難度的一個有效途徑。但這三種回收方式仍然存在各自技術(shù)難度和關(guān)鍵技術(shù)，以下梳理了各自的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 傘降回收式

（1）群傘系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

群傘系統(tǒng)包括穩(wěn)定傘系、減速傘系和主傘系等。主傘系由3具主傘組成，每具傘名義面積超過 1 000m2。群傘系統(tǒng)存在開傘不同步現(xiàn)象，導(dǎo)致開傘載荷分配存在很大不均勻性。此外，當(dāng)各傘衣充氣速度差別較大時，先充滿傘衣占據(jù)的空間位置可能會妨礙充氣遲緩的傘衣充滿。大型降落傘的開傘還會帶來一子級下降過程中較大的過載，可能帶來結(jié)構(gòu)的破壞，因此，需要合理設(shè)計大型群傘系統(tǒng)方案。

（2）大型緩沖氣囊設(shè)計技術(shù)

一子級著陸段采用緩沖氣囊進(jìn)行減速。緩沖氣囊為爆破式氣囊，每個氣囊充滿后體積可達(dá)幾十立方米，采用何種氣囊設(shè)計方案，直接影響一子級著陸緩沖性能、回收系統(tǒng)的總質(zhì)量和總體積，同時大型氣囊還帶來氣囊本身材料強度的問題，需要通過方案選型、優(yōu)化設(shè)計和試驗來予以驗證。大型氣囊技術(shù)是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（3）回收系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

對于降落傘+氣囊的回收系統(tǒng)方案，傘降一子級著陸前的穩(wěn)降速度是一個重要的設(shè)計參數(shù)。一般來講，穩(wěn)降速度小，降落傘系統(tǒng)的質(zhì)量和體積會增大，而氣囊及供氣系統(tǒng)的質(zhì)量和體積會減?。幌喾?，穩(wěn)降速度大，降落傘系統(tǒng)的質(zhì)量和體積會減小，而氣囊及供氣系統(tǒng)的質(zhì)量和體積會增大。這樣，理論上可以通過設(shè)計合理的穩(wěn)降速度，從而達(dá)到回收系統(tǒng)總質(zhì)量最輕，但優(yōu)化設(shè)計與降落傘系統(tǒng)、緩沖著陸系統(tǒng)以及供氣系統(tǒng)的具體設(shè)計形式有關(guān)，同時也受到材料強度、加工制造等方面的限制。因此需要綜合考慮整體回收系統(tǒng)的具體設(shè)計。

（4）超聲速開傘技術(shù)

為確保一子級在落地前實現(xiàn)穩(wěn)降，并將速度減小至目標(biāo)值，需要保障降落傘系的開傘高度?；厥罩懴到y(tǒng)的初始開傘速度很大，達(dá)到超聲速，對降落傘的強度要求很高；另外，降落傘工作在跨聲速條件下，而在此種條件下工作的降落傘阻力特征缺乏較為精確的理論計算支持。因此，超聲速降落傘的研制難度很高，從降落傘材料、加工工藝、性能仿真分析以及試驗驗證技術(shù)等方面均需要進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

2.2 垂直返回式

（1）垂直返回高精度控制技術(shù)

垂直返回高精度控制技術(shù)確?；鸺蛹壱苑€(wěn)定的姿態(tài)，按照預(yù)定的軌跡飛回預(yù)定降落場。垂直返回控制技術(shù)涉及到返回段任務(wù)規(guī)劃、彈道設(shè)計、姿態(tài)控制以及高精度制導(dǎo)等多個專業(yè)。相比傳統(tǒng)的火箭控制技術(shù)，它具有飛行任務(wù)復(fù)雜、飛行過程干擾大且不確定性因素多、熱流、過載等邊界約束苛刻、落地精度要求高等特點。所涉及到的子關(guān)鍵技術(shù)主要包括在線軌跡規(guī)劃技術(shù)和高精度姿態(tài)控制技術(shù)。

（2）微重力推進(jìn)劑管理技術(shù)

火箭子級在主發(fā)動機關(guān)機，并與上面級分離后，為了降低子級下降速度，需要其主發(fā)動機在下降失重環(huán)境下再次點火。發(fā)動機再次起動前貯箱內(nèi)推進(jìn)劑處于失重狀態(tài)，為保證發(fā)動機能夠再次成功起動，需要向發(fā)動機提供不夾氣的推進(jìn)劑。失重狀態(tài)下低溫推進(jìn)劑管理技術(shù)涉及學(xué)科廣、多專業(yè)耦合強，須針對具體需求開展攻關(guān)研究。

（3）發(fā)動機大范圍推力調(diào)節(jié)技術(shù)

火箭子級在垂直返回過程中，特別是在降落前，由于其推進(jìn)劑已基本耗盡，子級質(zhì)量較低，為保證子級在下降和著落過程中過載的要求，需要子級發(fā)動機具備大范圍推力調(diào)節(jié)能力。為了滿足發(fā)動機大范圍變推力要求，系統(tǒng)需要設(shè)置調(diào)節(jié)閥，以提高發(fā)動機系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制的靈活性，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、迅速的變推力調(diào)節(jié)控制。相比于現(xiàn)有固定推力或小范圍擠壓變推力液體火箭發(fā)動機來說，泵壓式深度變推力發(fā)動機調(diào)節(jié)元件多，噴注器、燃燒室、渦輪泵等關(guān)鍵組件工作范圍廣，調(diào)節(jié)控制規(guī)律復(fù)雜。

（4）著陸支撐技術(shù)

著陸支撐是垂直返回過程的最后一個步驟，也是決定回收成功與否的關(guān)鍵所在。運載火箭的著陸支撐技術(shù)主要包括緩沖裝置設(shè)計技術(shù)、著陸支撐機構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化技術(shù)和著陸支撐機構(gòu)展開鎖定技術(shù)等。緩沖器是支架式著陸器的核心部件，其主要作用是將著陸沖擊過程中所產(chǎn)生的沖擊能量耗散到緩沖器內(nèi)部緩沖材料及著陸腿結(jié)構(gòu)變形上。著陸支撐機構(gòu)的構(gòu)型選擇對于提高著陸承載能力和降落后的穩(wěn)定性有著重要的作用，著陸支撐機構(gòu)構(gòu)型主要包括支腿數(shù)量和組合形狀。著陸支撐機構(gòu)的展開鎖定是保證著陸支撐裝置在上升段鎖緊，并在著陸前解除鎖定狀態(tài)，順利展開，確保子級安全回收。

2.3 帶翼飛回式

（1）總體優(yōu)化與設(shè)計技術(shù)

由于需要在傳統(tǒng)火箭上添加機翼、控制系統(tǒng)、起落架和吸氣式的發(fā)動機等新系統(tǒng)，帶翼構(gòu)型設(shè)計難度大，其最顯著的特點是總體、氣動、彈道、防熱、結(jié)構(gòu)、動力、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等多個專業(yè)間存在強耦合性?？傮w設(shè)計必須全面開展多學(xué)科一體化設(shè)計工作，以避免方案顛覆。帶翼構(gòu)型設(shè)計涉及的參數(shù)多、受到的約束多，總體優(yōu)化設(shè)計中需要考慮運載器對多個飛行階段環(huán)境的適應(yīng)性，其中任何一個分系統(tǒng)指標(biāo)調(diào)整，都需要總體及時對方案進(jìn)行調(diào)整和分析，采用傳統(tǒng)航空器或航天器的串行設(shè)計模式已經(jīng)無法適應(yīng)，必須采用一體化優(yōu)化設(shè)計方法，才能獲得運載器的最優(yōu)設(shè)計方案。

（2）氣動、結(jié)構(gòu)、控制耦合綜合分析和設(shè)計技術(shù)

帶翼飛回式助推器飛行速度高、外部環(huán)境復(fù)雜、控制模態(tài)多，同時由于加裝了熱防護系統(tǒng)和反作用力控制系統(tǒng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、氣動力/熱和控制等系統(tǒng)間的耦合關(guān)系變得極其復(fù)雜，將嚴(yán)重影響其在無控情況下的氣動彈性特性和剛性結(jié)構(gòu)假設(shè)下的飛行性能。不利的耦合將導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)的性能變差，甚至失去穩(wěn)定性。突破氣動力/熱、結(jié)構(gòu)和控制的解耦綜合設(shè)計技術(shù)，對優(yōu)化高超聲速飛行器的設(shè)計，確保飛行安全意義重大。

氣動力/熱、結(jié)構(gòu)、控制耦合綜合分析和設(shè)計技術(shù)涉及多專業(yè)、多系統(tǒng)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系，其對運載器性能及安全性的影響至關(guān)重要，尤其是再入返回階段嚴(yán)酷的氣動力/熱環(huán)境將導(dǎo)致運載器的綜合特性變得更為復(fù)雜，必須進(jìn)行多專業(yè)耦合分析和氣動、結(jié)構(gòu)、控制一體化設(shè)計。

（3）氣動力/熱技術(shù)

帶翼構(gòu)型外形復(fù)雜，需要采用可重復(fù)使用的無燒蝕防熱方式，氣動力和氣動熱問題相對復(fù)雜。根據(jù)飛行過程劃分，氣動問題可以分為發(fā)射段低速氣動問題、上升段氣動問題、分離段氣動問題、返回段氣動問題和進(jìn)場/著陸氣動問題，整個飛行過程的氣動問題難點和重點集中在發(fā)射段與返回段。對于帶翼面對稱體需要氣動舵面參與控制；火箭和飛船的控制主要依靠反作用噴流控制，噴流作用產(chǎn)生的控制力往往可以比氣動力作用大很多倍，氣動力基本上不參與配平和控制，而帶翼構(gòu)型在返回過程中，姿態(tài)配平、控制和機動基本上依靠氣動力完成，噴流控制只是起到輔助配平作用。因此能否提供性能優(yōu)越的氣動布局、準(zhǔn)確的提供氣動力/熱環(huán)境，對于任務(wù)規(guī)劃、制導(dǎo)和控制系統(tǒng)設(shè)計都有著決定性的影響，對于飛行器的性能和安全性有著非常重要的意義。

（4）低升阻比大型飛行器水平著陸技術(shù)

安全的自主返回并水平著陸是安全回收并重復(fù)使用的前提，帶翼返回式助推器分離后需自主返回并水平著陸，由于在氣動外形設(shè)計時需兼顧高超聲速飛行，因此新型運載器的升阻比會相對較低，在著陸時縱向速度較大，觸地時對飛行器的沖擊較大，對安全著陸有很大影響。為了盡可能降低著陸速度，采用大攻角姿態(tài)著陸，但需要確保著陸時不能失速，這對著陸時的穩(wěn)定控制帶來了較大難度；同時由于運載器的大型化，著陸質(zhì)量大，大重載著陸對起落架系統(tǒng)性能要求很高。

3 子級回收方式的對比分析

3.1 技術(shù)難度

對于傘降回收方式，無論是陸地回收，還是海上回收，國際上都有一子級和助推器回收的成功經(jīng)驗，其主要難度在于降落傘和著陸緩沖裝置的設(shè)計。對于垂直返回方式，已有“阿波羅”登月艙和“德爾它快帆”的成功經(jīng)驗；而在火箭上的應(yīng)用，一子級垂直返回具有“獵鷹-9”運載火箭試驗驗證的技術(shù)基礎(chǔ)。若考慮二子級回收，無論是傘降回收還是垂直返回，技術(shù)難點將集中體現(xiàn)在二子級的再入熱防護系統(tǒng)設(shè)計上。二子級再入返回時，將面臨嚴(yán)酷的氣動熱問題，技術(shù)難度較大。

帶翼飛回式的難點在于復(fù)雜氣動外形設(shè)計、高速再入過程控制技術(shù)以及熱防護系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)等，其控制技術(shù)多采用反作用力系統(tǒng)與舵面聯(lián)合控制，控制系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度相對更大。無論是一子級還是二子級的帶翼飛回式設(shè)計，其技術(shù)難度都較大，且目前沒有成功經(jīng)驗。

因此，一子級或助推器傘降回收和垂直返回技術(shù)難度相對較小，而二子級再入返回技術(shù)難度大。帶翼飛回式技術(shù)難度比較大。

3.2 對總體設(shè)計布局的影響

采用傘降回收方式，運載火箭子級需要提供降落傘系統(tǒng)和緩沖氣囊的安裝布局空間。降落傘系統(tǒng)一般布置在級間段位置，緩沖氣囊一般采用前后布局方案，可布置在級間段、箱間段、后過渡段等位置。緩沖氣囊上升段是折疊狀態(tài)，位于火箭艙內(nèi)，降落過程中需要充氣展開，并彈開艙蓋，充氣展開后將位于艙外。為便于著陸，降落過程中子級姿態(tài)將由垂直姿態(tài)轉(zhuǎn)換為水平姿態(tài)，降落傘需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換吊掛，箭體結(jié)構(gòu)需要提供吊掛點，并預(yù)埋吊線。

對于垂直返回方式，總體設(shè)計布局方面需要提供著陸支撐機構(gòu)的安裝空間。在箭體結(jié)構(gòu)的尾艙外安裝著陸支撐機構(gòu)，上升過程中為折疊狀態(tài)，返回過程展開。此外，貯箱內(nèi)部增加推進(jìn)劑管理系統(tǒng)，對返回過程中推進(jìn)劑進(jìn)行管理。

對于帶翼飛回方式，需要添加機翼，機翼的添加使得整體布局發(fā)生了很大變化，在總體設(shè)計上需要做較大改變；且部分設(shè)計需考慮添加吸氣式發(fā)動機以提供返回過程中的動力，這樣就進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和設(shè)計難度。

因此，傘降回收和垂直返回對于運載火箭總體設(shè)計布局都有一定影響，但影響都較小。升力體式回收方式對總體設(shè)計布局影響大。

3.3 運載能力損失

對于傘降回收方式，運載火箭子級需要增加降落傘系統(tǒng)和緩沖氣囊系統(tǒng)，同時，地面著陸回收對于一子級的落區(qū)有要求，使得一子級飛行彈道不一定能夠按照最優(yōu)飛行彈道設(shè)計，會造成一定的運載能力損失。傘降回收分返回原場與不返回原場兩種，不返回原場，無須進(jìn)行大范圍橫向減速，通過初步分析表明傘降回收對運載能力損失一般不超過不回收狀態(tài)的10%；當(dāng)需要返回原場時，需要做橫向機動，最后垂直方向減速靠降落傘作用，通過初步分析表明返回原場對運載能力損失較大，能夠達(dá)到30%以上。

對于垂直返回方式，運載火箭子級在分離時，貯箱中需要保留一定的推進(jìn)劑，以用于返回過程發(fā)動機點火減速，這對火箭運載能力損失較大；對于返回原場的垂直返回回收，由于需要做橫向機動，火箭的運載能力損失將進(jìn)一步加大，初步分析表明損失幅度能達(dá)到50%以上，最高甚至達(dá)到90%；對于不返回原場，不需要橫向掉頭的，其推進(jìn)劑消耗量較小，但損失也能達(dá)到20%以上。對于垂直返回回收方式，子級需要加裝制導(dǎo)系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)、貯箱推進(jìn)劑管理系統(tǒng)、熱防護系統(tǒng)、著陸支撐機構(gòu)等，也會對運載能力產(chǎn)生一定影響。

對于帶翼飛回式，結(jié)構(gòu)上需要增加機翼、尾翼、起落架，甚至增加吸氣式發(fā)動機系統(tǒng)等，還需要增加熱防護系統(tǒng)，這樣增加的質(zhì)量會對運載能力造成較大影響。若子級或助推采用飛回式方案，同樣有返回原場與不返回原場兩種形式，返回原場仍然需要進(jìn)行做橫向減速，運載能力損失較大；不返回原場相對損失小一些；初步分析表明運載能力損失都能夠達(dá)到30%，具體情況根據(jù)具體方案略有不同。

因此，各種回收都會使運載火箭的運載能力下降，采用垂直返回方式和升力體式，運載能力下降幅度相對較大。

3.4 回收過程復(fù)雜性

對于傘降回收方式，無論是返回原場還是不返回原場，由于降落傘控制精度降低，其落區(qū)范圍較大，即使采用了落點精度較好的翼傘回收，其落區(qū)范圍相對來說還是同樣較大，需要開展一定的子級降落后的搜索工作。

對于垂直返回方式，由于采用多種控制設(shè)計方案，可實現(xiàn)著陸地點的精確控制，能夠很好地控制子級回收落點位置，無需開展子級降落后的搜索。

對于升力體飛回式，其控制精度相對較高，可以以較高精度降落至預(yù)定地點，一般可直接降落于跑道上，無需開展搜索工作。

3.5 小結(jié)

綜上所述，傘降回收、垂直返回以及飛回式三種回收技術(shù)途徑的對比結(jié)果如表1所示，各種回收方式都具有自身的特點，但是若遵循技術(shù)從易到難、循序漸進(jìn)和可實現(xiàn)性的發(fā)展原則，可采用或先突破更為成熟的傘降回收技術(shù)，通過較小的改動，實現(xiàn)我國在役和在研運載火箭的助推器或一子級的安全回收，進(jìn)而實現(xiàn)重復(fù)使用，降低發(fā)射成本；在開展傘降回收同時，開展垂直返回技術(shù)和帶翼飛回式技術(shù)研究，并結(jié)合我國運載火箭的發(fā)展規(guī)劃，選擇適合我國運載火箭技術(shù)發(fā)展規(guī)律的回收方式。

表1 三種回收方式對比

Tab.1 Comparison of three methods for rocket stage recovery

在相關(guān)研究規(guī)模上，建議率先開展小型子級回收運載火箭的研究，突破子級回收技術(shù)，進(jìn)而拓展到中大型運載火箭，最后實現(xiàn)重型運載火箭的子級回收，全面實現(xiàn)我國運載火箭的子級回收。

4 結(jié)束語

本文梳理了運載火箭子級回收三種技術(shù)類型，對國外子級回收技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析總結(jié)，梳理給出了各類回收方式的關(guān)鍵技術(shù)，并對不同的子級回收技術(shù)類型進(jìn)行了分析和對比，通過研究得出如下結(jié)論和建議：

1）運載火箭子級回收可分為傘降回收、垂直返回和帶翼飛回式三類；

2）國外對各類回收技術(shù)開展了較為全面的研究，并不斷在開展相關(guān)技術(shù)研究和驗證，后續(xù)需持續(xù)開展對國外運載火箭子級回收技術(shù)的跟蹤和分析；

3）三種類型的回收方式在技術(shù)難度、對總體布局影響、運載能力損失和回收過程難度等方面各具特點，總體來說傘降回收方式技術(shù)成熟度更高，如其應(yīng)用將對現(xiàn)役火箭改動較少，我國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)結(jié)合實際情況理性開展；

4）加大投入、循序漸進(jìn)發(fā)展子級回收技術(shù)。

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Recovery Technology of Launch Vehicle Stage

WANG Xiaowei ZHANG Puzhuo WU Shengbao SHEN Lin

（Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China）

The launch vehicle stage recovery technology has become a research hotspot of aerospace transportation system in the world. This paper gives a preliminary study on this kind of technology. Three types of launch vehicle stage recovery and the state-of-art in the world are summarized at first based on the status of the reusable launch vehicles development, such as parachute landing, propulsive landing and aerocapture landing. The key technology list of each recovery types and their necessities are presented. The three types are compared with each other in terms of technology difficulty, impact on launch vehicle design, loss of payload capability and recovery searching difficulty. Each recovery type has its characteristics, while the parachute landing is the most mature one. Preliminary development recommendation for recovery technology of launch vehicle stage of China is given in the end.

launch vehicle stage recovery; recovery and landing; launch vehicle

（編輯：陳艷霞）

V525

A

1009-8518(2016)03-0019-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.03.003

汪小衛(wèi)，男，1983年生，2011年獲北京航空航天大學(xué)航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師。研究方向為航天運輸系統(tǒng)總體設(shè)計。E-mail：wangxwbuaa@163.com。

2015-09-11

民用航天預(yù)研項目