愈挫愈奮“獵鷹-9”火箭著陸回收又一次嘗試

□李大光

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愈挫愈奮“獵鷹-9”火箭著陸回收又一次嘗試

□李大光

1月18日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在加利福尼亞州范登堡空軍基地，用“獵鷹-9”火箭成功將Jason-3海洋觀測(cè)衛(wèi)星送入軌道。但在隨后的海上回收試驗(yàn)中，沒能延續(xù)此前陸地成功回收的好運(yùn)。如果此次“獵鷹9號(hào)”能夠成功實(shí)現(xiàn)海上著陸，將為公司創(chuàng)下第二座里程碑。去年12月，SpaceX成功讓一枚“獵鷹-9”一級(jí)火箭返回至卡納維拉爾角空軍基地的一個(gè)著陸平臺(tái)上，成為航天領(lǐng)域具有里程碑意義的重大事件，標(biāo)志著可重復(fù)使用火箭技術(shù)邁出了一大步。

運(yùn)載火箭回收經(jīng)歷了艱難的探索

去年，美國(guó)私人航天企業(yè)太空探索技術(shù)公司的升級(jí)版“獵鷹-9”運(yùn)載火箭搭載11顆通信衛(wèi)星，于美國(guó)東部時(shí)間12月21日晚從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，更具意義的是在發(fā)射10分鐘后第1級(jí)火箭成功著陸地面平臺(tái)首次實(shí)現(xiàn)安全回收。從而向航天人幾十年的重復(fù)使用運(yùn)載火箭的夢(mèng)想又邁進(jìn)了一大步。

讓運(yùn)載火箭在海面平臺(tái)上著陸的概念已提出了幾十年，但此前從未有過(guò)這種嘗試。2011年，SpaceX提出了“垂直起飛，垂直降落（簡(jiǎn)稱VTVL）”的一級(jí)回收復(fù)用方案。一級(jí)火箭分離后，在再入大氣層過(guò)程中重新開啟三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減速，在接近地面的時(shí)候打開4個(gè)支撐腿，并啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的控制，使火箭垂直降落在著陸場(chǎng)上。這個(gè)相當(dāng)“科幻”的重復(fù)使用概念，早在1990年就已經(jīng)提出，麥道公司(1997年并入波音)在1991—1996年間，曾經(jīng)開發(fā)了兩型“德爾塔”快帆驗(yàn)證機(jī)，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行飛行驗(yàn)證。不過(guò)，“獵鷹-9”一級(jí)火箭的飛行高度和速度、控制難度，遠(yuǎn)超出了“德爾塔”快帆的已驗(yàn)證范圍。

從2012年開始，SpaceX利用“蚱蜢”技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，在德克薩斯州試驗(yàn)場(chǎng)開展VTVL技術(shù)試驗(yàn)。在先后8次的飛行中，最高飛行到了744米，并成功降落。但是，“獵鷹-9”火箭一級(jí)分離時(shí)，速度高達(dá)10馬赫，高度在45千米以上，還面臨嚴(yán)重的推進(jìn)劑不沉底、氣動(dòng)載荷、姿態(tài)失控、高空橫風(fēng)等問題，這些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦無(wú)法驗(yàn)證的。當(dāng)年5月22日，“獵鷹-9”從卡拉維拉爾角發(fā)射場(chǎng)把美國(guó)太空探索技術(shù)公司研制的“龍”飛船第二次送入太空。10月8日，“獵鷹-9”從卡拉維拉爾角發(fā)射場(chǎng)把美國(guó)太空探索技術(shù)公司研制的“龍”飛船第三次送入太空。

2013年12月3日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司的“獵鷹-9”1.1型運(yùn)載火箭在卡納維拉爾角空軍站發(fā)射了盧森堡歐洲衛(wèi)星公司(SES)的SES-8商業(yè)通信衛(wèi)星。這是“獵鷹-9”火箭首次用來(lái)發(fā)射靜地軌道商業(yè)通信衛(wèi)星，標(biāo)志著太空探索公司正式進(jìn)入了商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)，有可能打破全球商業(yè)發(fā)射服務(wù)業(yè)的原有格局，因而備受各發(fā)射服務(wù)商和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。本次發(fā)射是“獵鷹”9火箭2010年以來(lái)的第7次發(fā)射，也是“獵鷹-9”1.1型火箭的第二發(fā)射。

2014年1月6日，空間探索技術(shù)(SpaceX)公司在卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射“獵鷹-9”火箭，將“泰通-6”商業(yè)電信衛(wèi)星成功送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。4月18日，SpaceX公司在利用“獵鷹-9”火箭和“龍”太空艙執(zhí)行國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)過(guò)程中成功實(shí)施了火箭第一級(jí)“軟著陸”試驗(yàn)。“獵鷹-9”火箭第一級(jí)降落到大西洋，但遭遇風(fēng)浪襲擊損毀，未能完整回收。7月14日，太空探索技術(shù)(Space X)公司的“獵鷹-9”火箭成功將6顆軌道通信公司的“機(jī)對(duì)機(jī)”通信衛(wèi)星發(fā)送至低地球軌道。此次發(fā)射同時(shí)還對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)SpaccX公司重復(fù)使用“獵鷹-9”火箭第一級(jí)以節(jié)省成本的目標(biāo)。SpaceX公司計(jì)劃利用此次發(fā)射測(cè)試回收程序，包括：多級(jí)火箭分離后重新定向第一級(jí)，在海上降落、從佛羅里達(dá)海岸回收之前展開著陸支架。2014年，“獵鷹-9”運(yùn)載火箭第一級(jí)兩次成功在海面垂直平穩(wěn)落水，為后來(lái)的試驗(yàn)打下一定的基礎(chǔ)。

2015年1月10日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司成功向國(guó)際空間站發(fā)射了龍飛船，后者正為該公司執(zhí)行向國(guó)際空間站第五次運(yùn)貨任務(wù)。但此行的另一個(gè)任務(wù)——“獵鷹-9”運(yùn)載火箭第一級(jí)海上回收嘗試以失敗告終，火箭在海面浮動(dòng)平臺(tái)硬著陸并損毀。此次發(fā)射中最令人關(guān)注的是“獵鷹-9”運(yùn)載火箭的第一級(jí)能否首次在沒有錨定的海面浮動(dòng)平臺(tái)上精準(zhǔn)著陸。6月28日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)發(fā)射一枚“獵鷹-9”運(yùn)載火箭執(zhí)行國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)，火箭升空2分半鐘后突然爆炸解體，事故導(dǎo)致為空間站運(yùn)送約2噸物資的龍飛船也隕落，攜帶約2500公斤補(bǔ)給的貨艙也被炸毀。這是該公司第七次空間站貨運(yùn)任務(wù)，原計(jì)劃第三次嘗試讓火箭第一級(jí)垂直降落在海上一艘無(wú)人船上的嘗試再次失敗。這是SpaceX公司自2012年以來(lái)第8次執(zhí)行空間站補(bǔ)給物資運(yùn)送任務(wù)，也是第一次失敗。

去年底發(fā)射是6月“獵鷹-9”運(yùn)載火箭升空后爆炸解體、補(bǔ)給空間站任務(wù)失敗之后的首次發(fā)射。此前，致力于研發(fā)新一代可重復(fù)利用的火箭推進(jìn)系統(tǒng)的SpaceX曾兩次嘗試一級(jí)火箭在大西洋的海上漂浮平臺(tái)上著陸并回收，但火箭或直接墜入大?；蛞蛴仓懚〒p壞，所以均告失敗。為提升地面回收的成功率，SpaceX使用了升級(jí)版火箭，并將著陸點(diǎn)從海洋轉(zhuǎn)移到陸地，從而獲得了成功。今年1月18日“獵鷹-9”第三次海上回收的視頻顯示，在“獵鷹-9”的一根著陸支架未能鎖定之前，此時(shí)火箭已經(jīng)精準(zhǔn)的降落到海上駁船上，導(dǎo)致箭體翻倒繼而引發(fā)爆炸。SpaceX CEO 埃隆·馬斯克稱，“獵鷹9號(hào)”海上著陸失敗的“根本原因或是火箭在升空時(shí)，大霧凝結(jié)造成了冰集聚所致?！?/p>

2015年4月，美國(guó)軍方“御用”航天公司“美國(guó)發(fā)射聯(lián)盟”（波音和洛馬公司合資組建）在一次發(fā)布會(huì)上公布了其新一代軍用運(yùn)載火箭部分設(shè)計(jì)詳情。這種新型運(yùn)載火箭被定名為“火神”，新型火箭具有兩大先進(jìn)技術(shù)，首先其第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用，其次它的第二級(jí)火箭在完成任務(wù)后可停留在軌道充當(dāng)加油站，允許其他航天器與其對(duì)接并獲得燃料補(bǔ)給。預(yù)計(jì)這兩項(xiàng)技術(shù)將在2023-2024年后達(dá)到實(shí)用水平。

回收運(yùn)載火箭的技術(shù)難度極大

如果人類能掌握火箭回收與重復(fù)使用技術(shù)，未來(lái)航天發(fā)射的成本有望大大降低。此前，沒有第一級(jí)火箭被回收重復(fù)利用的先例。SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克曾形容火箭使用的浪費(fèi)程度，就和一架波音747客機(jī)僅作了單趟的跨大陸飛行就將它報(bào)廢一般。造價(jià)高昂的火箭自此擺脫“一次性”用品角色，從而大幅縮減太空旅行花銷，預(yù)期發(fā)射成本將降低99％。

目前，全世界絕大多數(shù)運(yùn)載火箭都是一次性航天工具，其第一級(jí)火箭在完成分離后會(huì)墜落到陸上無(wú)人區(qū)或空曠海域，不可重復(fù)使用。這次回收到底有多難呢？運(yùn)載火箭回收試驗(yàn)有兩大難點(diǎn)：一是讓火箭第一級(jí)在分離后垂直下降，其難度就像在暴風(fēng)雨中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上。二是精準(zhǔn)降落在沒有錨定且只有足球場(chǎng)大小的浮動(dòng)平臺(tái)上極其困難，其著陸精度要在10米以內(nèi)。太空探索技術(shù)公司在發(fā)射前謹(jǐn)慎承認(rèn)，該試驗(yàn)的成功率最多只有50％。因此，回收火箭首先要解決火箭著陸精度問題，要能夠回收到預(yù)定地點(diǎn)。其次，火箭要以垂直的姿態(tài)降落，必須解決姿態(tài)控制問題，越是豎長(zhǎng)的物體，越難以控制。此外，要解決減速問題，必須是軟著陸，又不用降落傘，所以只能用反向推力裝置。而且，回收的過(guò)程是一個(gè)變速過(guò)程，因?yàn)榛鸺娜剂显絹?lái)越少，所以在這個(gè)變速過(guò)程中如何始終解決好以上的幾大問題，難度非常高。據(jù)稱，可靠控制是由兩部分組成的，一部分是位于火箭上端的柵格舵，另一個(gè)就是發(fā)動(dòng)機(jī)本身。

SpaceX吸取了之前幾次失敗的教訓(xùn)，將以上三個(gè)方面控制得很好。同時(shí)，調(diào)高了安全系數(shù)，之前的幾次發(fā)射計(jì)劃都被推遲，就是要把所有可能出現(xiàn)的問題都解決掉，并等待最好的氣象條件。還有一個(gè)重要原因，這次回收從某種程度上講是降低了一定的難度，放棄了之前的海上平臺(tái)回收，而選擇在陸地回收。SpaceX此次沒有選擇通過(guò)海上平臺(tái)去回收火箭，而是直接在地面上回收。陸地上氣象條件更好，回收面積也可以更大，平臺(tái)更穩(wěn)定。還有就是增加了火箭動(dòng)力，從而可利用額外動(dòng)力使火箭第一級(jí)在著陸平臺(tái)上降落并回收。不過(guò)，在陸上降落可能意味著火箭在空中飛行更長(zhǎng)，消耗的燃料更多。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，“獵鷹-9”運(yùn)載火箭并非第一枚實(shí)現(xiàn)回收的火箭，而是第一枚成功實(shí)現(xiàn)回收的軌道運(yùn)載火箭。因?yàn)槿ツ?1月24日，亞馬遜CEO杰夫·貝索斯旗下太空公司BlueOrigin成功將New Shepard火箭發(fā)射到約100.5千米的高度，火箭隨后又成功返回發(fā)射場(chǎng)。這是全球第一個(gè)發(fā)射升空后又完好無(wú)損返回地面的火箭。

那么，相對(duì)于上述可回收火箭，“獵鷹-9”運(yùn)載火箭又先進(jìn)在哪里呢？“獵鷹-9”的目標(biāo)是將有效荷載運(yùn)送到近地軌道，而New Shepard的目標(biāo)只是將乘客送往亞軌道。New Shepard是試驗(yàn)型亞軌道火箭，無(wú)論從飛行高度還是速度都和進(jìn)行軌道發(fā)射的運(yùn)載火箭不是一個(gè)量級(jí)。而“獵鷹-9”是一枚成熟的業(yè)務(wù)型軌道運(yùn)載火箭，如何把有效載荷安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地送入軌道，是它首先要考慮的問題，回收系統(tǒng)必須是在經(jīng)濟(jì)可承受范圍內(nèi)的試驗(yàn)。而New Shepard則是一枚試驗(yàn)性質(zhì)的火箭，可以把更多的重量放在這次軟著陸上。另外，“獵鷹-9”運(yùn)載火箭第一級(jí)的長(zhǎng)徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，控制難度更大，回收難度更大。

總體上看，世界各國(guó)在重復(fù)使用運(yùn)載火箭方面的研制仍處于起步階段。從垂直回收技術(shù)上來(lái)看，在回收過(guò)程中要通過(guò)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在推力和方向上的不斷調(diào)節(jié)和調(diào)整來(lái)進(jìn)行精確控制。這就需要運(yùn)載火箭的推力有大范圍的推力調(diào)節(jié)能力，這對(duì)燃燒、渦輪泵、閥門等各組件要求很高。還需要解決大長(zhǎng)徑比的發(fā)動(dòng)機(jī)垂直降落的姿態(tài)控制、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一系列難題。更重要的是，回收系統(tǒng)不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，還要達(dá)到相當(dāng)高的可靠性。另外，其重量、體積必須最小化。否則，它對(duì)于火箭來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的“累贅”。

可靠的回收只是火箭重復(fù)使用的第一步?；鸺闹貜?fù)使用對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的性能和壽命提出了更高要求。目前火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)壽命、試車時(shí)間都是以秒為單位計(jì)算。對(duì)于一次性使用的火箭來(lái)說(shuō)，保證材料和相關(guān)設(shè)計(jì)在短時(shí)間能頂?shù)米∈且粋€(gè)問題，而確保長(zhǎng)壽命使用又是另外一個(gè)問題。美國(guó)航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壓強(qiáng)高達(dá)207個(gè)大氣壓，燃燒室的工作溫度約為3300度(目前最先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度不到1700度)，其一個(gè)小小的渦輪泵的功率就是目前最先進(jìn)主戰(zhàn)坦克發(fā)動(dòng)機(jī)功率的數(shù)十倍。讓這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)順利工作一次就已經(jīng)非常困難，而要重復(fù)使用多次，那么對(duì)材料和工藝的要求將上一個(gè)巨大的臺(tái)階。

具有里程碑意義的標(biāo)志性事件

研發(fā)可重復(fù)使用的火箭，大幅降低發(fā)射成本，可謂業(yè)界長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。以往的運(yùn)載火箭都是一次性使用，成本很高，就好比一架波音747從紐約飛到洛杉磯之后就必須再重新制造一架。更為重要的是，可重復(fù)使用的火箭有助于人類實(shí)現(xiàn)前往火星的載人任務(wù)，搭載登陸火星的宇航員重返地球?？梢?，火箭成功自主回收具有跨時(shí)代意義，稱得上是航天發(fā)射史上的一次里程碑事件。

從發(fā)展的角度來(lái)看，重復(fù)使用將是未來(lái)運(yùn)載火箭發(fā)展的必然趨勢(shì)，無(wú)論在商業(yè)上還是在軍事上都有巨大的價(jià)值。去年年底人類首次成功回收軌道運(yùn)載火箭，是人類邁開運(yùn)載火箭回收的第一步。這次的成功只是一個(gè)開始，意味著這項(xiàng)技術(shù)具有可行性，但想要真正掌握這一技術(shù)，還需要通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，由成功變成成熟。一級(jí)火箭回收是第一步，接下來(lái)要驗(yàn)證火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)是否可以重復(fù)使用，不過(guò)美國(guó)有著回收并重復(fù)使用航天飛機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備。美國(guó)在掌握了這項(xiàng)技術(shù)之后，還將進(jìn)一步驗(yàn)證回收二級(jí)火箭的可行性。一旦這些技術(shù)可以完全實(shí)現(xiàn)，將大大降低航天發(fā)射成本，使人類航天發(fā)射的最大難題得到突破。如果回收并重復(fù)使用第一級(jí)，可以降低成本80％，而如果能回收并利用第二級(jí)將可以降低成本的98％。

不過(guò)，目前回收乃至重復(fù)使用火箭仍存在不小的挑戰(zhàn)。一次成功不代表完全掌握，距離技術(shù)成熟更有不小的距離。而火箭回收之后，能否經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修理，就可以加注燃料再次使用，這還需要驗(yàn)證，美國(guó)之前的航天飛機(jī)就是因?yàn)榛厥罩缶S修的費(fèi)用太高，加之航天飛機(jī)本身的費(fèi)用太高，所以不得不放棄，因此這又是一道很大的難關(guān)。除了火箭的回收技術(shù)本身以外，還要提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。目前的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，只需要工作幾十分鐘，然后就棄之不用了。實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料性能都是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。

美國(guó)太空探索技術(shù)公司SpaceX的“獵鷹-9”運(yùn)載火箭順利完成首次垂直回收，這在世界航天史上寫下濃重一筆，為運(yùn)載火箭的重復(fù)使用奠定了基礎(chǔ)。由于回收火箭的巨大好處，除了美國(guó)之外，歐洲、日本甚至印度都在對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行預(yù)研。2015年1月5日，法國(guó)航天局宣布，已開始與德國(guó)等政府開展小型技術(shù)研究項(xiàng)目，研制未來(lái)的液氧/甲烷燃料的可重復(fù)使用火箭級(jí)。10年前，法國(guó)曾與俄羅斯開展合作項(xiàng)目“貝加爾”，尋求可用于歐洲和俄羅斯火箭的可重復(fù)使用技術(shù)。隨后，法國(guó)航天局官員總結(jié)出配備可重復(fù)使用第一級(jí)的火箭系統(tǒng)每年需要發(fā)射40次才能確保該工作的價(jià)值，項(xiàng)目就遭到了擱淺。

中國(guó)一直在關(guān)注全球航天領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的最新趨勢(shì)。如今，運(yùn)載火箭垂直著陸的可重復(fù)使用方案已在國(guó)外經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證這對(duì)于中國(guó)航天來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)機(jī)遇，同時(shí)也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)火箭可重復(fù)使用技術(shù)仍然處于探索階段，尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。我國(guó)的載人飛船也是采用垂直著陸方式，因此，我國(guó)的火箭可重復(fù)使用技術(shù)研究或?qū)⒔⒃诖怪鄙导夹g(shù)基礎(chǔ)上。然而，重復(fù)使用的火箭對(duì)基礎(chǔ)工業(yè)和材料工業(yè)的要求將達(dá)到一個(gè)空前高度，而這正是中國(guó)航天業(yè)的薄弱點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，進(jìn)行重復(fù)使用運(yùn)載火箭的技術(shù)論證和研究工作，這是對(duì)中國(guó)航天工業(yè)的一個(gè)新考驗(yàn)。（作者單位為國(guó)防大學(xué)）