法爾肯9可重復(fù)使用火箭發(fā)展綜述

鄭 雄，楊 勇，姚世東，陳洪波

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法爾肯9可重復(fù)使用火箭發(fā)展綜述

鄭 雄，楊 勇，姚世東，陳洪波

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

美國(guó)SpaceX公司于2011年9月宣布研發(fā)法爾肯9可重復(fù)使用火箭，迄今已完成多次試驗(yàn)，引起國(guó)際航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。簡(jiǎn)要介紹法爾肯9可重復(fù)使用火箭的回收方案，梳理相關(guān)試驗(yàn)情況，并對(duì)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，最后在此基礎(chǔ)上對(duì)研制經(jīng)驗(yàn)和啟示進(jìn)行總結(jié)。

SpaceX；法爾肯9；垂直返回；關(guān)鍵技術(shù)

0 引 言

如何降低發(fā)射費(fèi)用是整個(gè)航天工業(yè)界面臨的主要挑戰(zhàn)之一，當(dāng)前世界各航天發(fā)達(dá)國(guó)家一致認(rèn)為運(yùn)載器實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用是降低運(yùn)載成本的有效途徑[1]。不同于一次性運(yùn)載火箭發(fā)射后完全廢棄的方式，可重復(fù)使用運(yùn)載器（Reusable Launch Vehicle，RLV）通過不同方式回收并多次發(fā)射、重復(fù)使用，采用費(fèi)用均攤的原則，能大幅降低單位有效載荷發(fā)射成本，具有極高的軍事和民用價(jià)值[2]。

美國(guó)在航天飛機(jī)研制成功后直至21世紀(jì)初，主要進(jìn)行了2次規(guī)模較大的RLV研制工作，即1986年開始的國(guó)家空天飛機(jī)（National Aerospace Plane，NASP）計(jì)劃和1996年開始的X-33計(jì)劃，它們的共同特點(diǎn)是單級(jí)入軌（Single Stage To Orbit，SSTO），由于技術(shù)難度大，在花費(fèi)巨額投資后于1995年和2001年相繼下馬。美國(guó)在研制單級(jí)入軌RLV上受到的挫折使人們深刻反思并認(rèn)識(shí)到，以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的多級(jí)入軌、部分/完全可重復(fù)使用運(yùn)載器能夠充分繼承現(xiàn)有航天運(yùn)輸技術(shù)的成果和經(jīng)驗(yàn)，是近期RLV發(fā)展的目標(biāo)[3]。

SpaceX公司是美國(guó)政府力推的私營(yíng)商業(yè)航天企業(yè)，自2002年成立以來，先后實(shí)現(xiàn)了小型運(yùn)載火箭、中型運(yùn)載火箭和貨運(yùn)飛船的自主研制、試驗(yàn)和發(fā)射。2011年9月30日，SpaceX公司首席執(zhí)行官兼技術(shù)總監(jiān)艾隆·馬斯克（Elon Musk）對(duì)外宣布其公司將研發(fā)法爾肯9可重復(fù)使用火箭。近年來進(jìn)行了多次試驗(yàn)，并在2015年12月21日的發(fā)射中首次成功完成一子級(jí)的陸地回收，引起了國(guó)際航天的轟動(dòng)。

本文對(duì)法爾肯9可重復(fù)使用火箭的回收方案和相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行介紹，并分析其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)研制經(jīng)驗(yàn)和啟示，為中國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器的研究與發(fā)展提供參考。

1 法爾肯9可重復(fù)使用火箭回收方案概述

法爾肯9可重復(fù)使用火箭包括可重復(fù)使用的一子級(jí)、二子級(jí)。一子級(jí)在火箭一、二級(jí)分離后垂直返回，二子級(jí)將有效載荷送入預(yù)定軌道后再入大氣層垂直返回?；厥赵O(shè)想如圖1所示。

圖1 法爾肯9可重復(fù)使用火箭回收設(shè)想

垂直返回是為解決運(yùn)載火箭重復(fù)使用而提出的一種回收技術(shù)。垂直返回技術(shù)是指火箭子級(jí)在完成任務(wù)后，通過自身攜帶的控制系統(tǒng)和動(dòng)力裝置，按照設(shè)定的軌跡自主飛回著陸場(chǎng)，并以垂直的箭體姿態(tài)緩慢穩(wěn)定地降落到指定著陸場(chǎng)。相比于有翼重復(fù)使用助推器水平著陸方式，垂直返回對(duì)火箭外形及總體布局影響較小。

法爾肯9可重復(fù)使用火箭子級(jí)返回時(shí)靠主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火反推實(shí)現(xiàn)減速，垂直著陸時(shí)由安裝在子級(jí)下部的著陸支架支撐?；厥蘸蟮淖蛹?jí)經(jīng)修復(fù)、組裝并補(bǔ)充燃料后，可重新執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

2 法爾肯9可重復(fù)使用火箭相關(guān)試驗(yàn)情況

為研制法爾肯9可重復(fù)使用火箭，SpaceX公司制定了多元、漸進(jìn)式發(fā)展的可重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃，包括以下3種試驗(yàn)：低空（低于3.5 km）、低速試驗(yàn)；高空（3.5~91 km）、中速試驗(yàn)；高空（91 km以上）、高速的再入、受控減速、受控降落試驗(yàn)。其中前兩種主要通過蚱蜢（Grasshopper）驗(yàn)證機(jī)和法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，截至目前，已分別完成8次、4次試驗(yàn)；而第3種則在法爾肯9火箭的實(shí)際發(fā)射任務(wù)中進(jìn)行，截至2016年1月，已嘗試了9次。

2.1 蚱蜢驗(yàn)證機(jī)垂直起降試驗(yàn)

蚱蜢驗(yàn)證機(jī)（見圖2）裝備了法爾肯9v1.0火箭的第1級(jí)貯箱，底部安裝4個(gè)鋼著陸支架，配備1臺(tái)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)，其推進(jìn)劑為液氧煤油，推力可達(dá)541.9 kN，驗(yàn)證機(jī)機(jī)體高32.3 m，其中貯箱高25.9 m。

圖2 蚱蜢驗(yàn)證機(jī)

蚱蜢驗(yàn)證機(jī)總共進(jìn)行了8次垂直起降試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見表1。

表1 蚱蜢驗(yàn)證機(jī)8次試驗(yàn)情況

從表1可以看出，蚱蜢驗(yàn)證機(jī)的8次垂直起降試驗(yàn)飛行高度逐漸增加，點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間逐漸加長(zhǎng)，試驗(yàn)中還測(cè)試了某些特別技術(shù)，如搭載假人玩偶、測(cè)試風(fēng)中穩(wěn)定性和導(dǎo)航傳感器、進(jìn)行側(cè)向移動(dòng)。通過蚱蜢驗(yàn)證機(jī)這8次試驗(yàn)，SpaceX公司積累了一定的可重復(fù)使用火箭技術(shù)，包括低空、低速情況下的高精度姿態(tài)控制技術(shù)、大范圍推力調(diào)節(jié)技術(shù)、導(dǎo)航算法、橫向機(jī)動(dòng)技術(shù)和著陸支架支撐技術(shù)等。

2.2 法爾肯 9R Dev驗(yàn)證機(jī)垂直起降試驗(yàn)

法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)（見圖3）由法爾肯9v1.1火箭的一子級(jí)、3臺(tái)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)和4個(gè)與法爾肯9v1.1火箭相同的著陸支架構(gòu)成，驗(yàn)證機(jī)高約42 m，直徑3.66 m，裝有反作用控制系統(tǒng)，可提供三通道的控制力矩。

圖3 法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)

2014年3月28日，法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)在德克薩斯州麥格雷戈試驗(yàn)場(chǎng)發(fā)射臺(tái)完成靜態(tài)點(diǎn)火試車。法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)在初始階段仍進(jìn)行低空、低速飛行試驗(yàn)，后續(xù)將開展高空、中速飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地為新墨西哥州白沙試驗(yàn)場(chǎng)。目前完成的法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)有4次，詳情見表2。

表2 法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)4次試驗(yàn)情況

由表2中第4次試驗(yàn)失敗可知，SpaceX公司對(duì)垂直起降技術(shù)的探索并非一帆風(fēng)順。但總的來看，通過法爾肯9R Dev驗(yàn)證機(jī)的4次試驗(yàn)，SpaceX公司進(jìn)一步驗(yàn)證了低空、低速情況下垂直起降的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過增加火箭發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)、加裝柵格翼，使地面驗(yàn)證試驗(yàn)更接近于火箭一子級(jí)回收的真實(shí)情況。

2.3 發(fā)射任務(wù)中一子級(jí)回收試驗(yàn)

SpaceX公司除進(jìn)行以上兩種驗(yàn)證機(jī)的垂直起降試驗(yàn)外，還在法爾肯9火箭實(shí)際發(fā)射任務(wù)中嘗試回收一子級(jí)。截至2016年1月，已嘗試了9次。

a）第1次：2013年9月29日，法爾肯9v1.1火箭在范登堡空軍基地首次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，在完成將加拿大CASSIOPE衛(wèi)星送入軌道主任務(wù)的同時(shí)，開展一子級(jí)海面軟著陸試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，火箭一子級(jí)熄火并與第2級(jí)分離后，9臺(tái)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)中的3臺(tái)成功點(diǎn)火制動(dòng)，降低火箭落回大氣層的速度。幾分鐘后，一子級(jí)位于中央的發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，在濺落入海前進(jìn)一步降低火箭速度，但火箭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使燃料無法進(jìn)入燃料管，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供應(yīng)不足以致于提前關(guān)機(jī)，無法有效控制火箭飛行速度和姿態(tài)，從而使火箭一子級(jí)砸在水面上，實(shí)驗(yàn)失敗。

b）第2次：2014年4月18日，法爾肯9v1.1火箭/龍飛船在卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，執(zhí)行第3次國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)（CRS-3）?；鸺?、二級(jí)分離后成功實(shí)現(xiàn)一子級(jí)海面受控軟著陸。

本次任務(wù)中，法爾肯9v1.1火箭一子級(jí)箭體四周首次等距安裝了4個(gè)7.62 m長(zhǎng)的著陸支架（見圖4）。該著陸支架為碳纖維鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)，采用高壓氦氣啟動(dòng)系統(tǒng)展開，伸展長(zhǎng)度為18 m。

圖4 法爾肯9v1.1著陸支架

試驗(yàn)后，Elon Musk公開表示，“跟蹤數(shù)據(jù)顯示火箭一子級(jí)最后已知狀態(tài)為速度360 m/s、高度8.5 km、滾轉(zhuǎn)角速度接近0°，在一子級(jí)落入海中后，箭上計(jì)算機(jī)還持續(xù)發(fā)出了8 s的數(shù)據(jù)，直至火箭一子級(jí)倒下”。此次發(fā)射任務(wù)及海面軟著陸的成功實(shí)現(xiàn)表明，法爾肯9v1.1一子級(jí)安裝著陸支架并未對(duì)火箭上升段造成影響。此外，本次試驗(yàn)中回收段箭體的滾轉(zhuǎn)得到了有效控制。

c）第3次：2014年7月14日，SpaceX公司在執(zhí)行Orbcomm公司發(fā)射任務(wù)時(shí)，又一次嘗試了一子級(jí)海面軟著陸回收試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)中一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)成功實(shí)現(xiàn)再入前點(diǎn)火和著陸前點(diǎn)火，著陸支架正常展開，但一子級(jí)在入水倒下時(shí)因受水力沖擊而損毀。

d）第4次：2015年1月10日，SpaceX 公司用法爾肯9v1.1火箭成功發(fā)射龍飛船進(jìn)入預(yù)定軌道，完成第5次國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)（CRS-5）。在本次發(fā)射任務(wù)中，SpaceX公司首次嘗試使用海上移動(dòng)回收平臺(tái)進(jìn)行一子級(jí)的可控自主回收。

回收過程中，一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)了3次。第1次啟動(dòng)用于調(diào)整一子級(jí)的著陸點(diǎn)，第2次啟動(dòng)用于超聲速制動(dòng)，第3次啟動(dòng)用于著陸前反推制動(dòng)。在自身導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)的作用下，一子級(jí)成功找到了位于大西洋上的移動(dòng)回收平臺(tái)，但著陸時(shí)發(fā)生了“硬著陸”，一子級(jí)與平臺(tái)發(fā)生了碰撞，導(dǎo)致火箭爆炸、平臺(tái)受損。

此次發(fā)射的法爾肯9v1.1火箭新裝了4個(gè)可擺動(dòng)的氣動(dòng)?xùn)鸥褚恚ㄒ妶D5）。它是一種蜂窩式結(jié)構(gòu)的多面翼，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕、升力特性好、鉸鏈力矩小、控制效率高，可提供較大的氣動(dòng)阻力。在火箭上升過程中，柵格翼呈收攏狀態(tài)，對(duì)火箭整體氣動(dòng)特性影響較小；在一子級(jí)返回過程中，柵格翼在氣動(dòng)力及解鎖裝置的作用下展開，改善一子級(jí)的氣動(dòng)特性，通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)提供三通道的控制力矩，從而穩(wěn)定返回段箭體的姿態(tài)。

圖5 法爾肯9v1.1火箭柵格翼

一子級(jí)發(fā)生“硬著陸”后，Elon Musk公開表示，“從高超聲速到亞聲速階段，柵格翼都正常工作，但在著陸前，用于控制柵格翼的液壓機(jī)油耗盡；我們對(duì)柵格翼工作時(shí)間估算出現(xiàn)了問題，少估算了10%；在預(yù)計(jì)下個(gè)月開展的下一次試驗(yàn)中，將增加50%的液壓機(jī)油來增加設(shè)計(jì)余量”。從上述信息可以得出，柵格翼在著陸前失去作用可能是導(dǎo)致本次“硬著陸”的重要原因。

雖然本次回收試驗(yàn)失敗，但從火箭一子級(jí)成功找到海上移動(dòng)回收平臺(tái)可以看出，SpaceX公司應(yīng)用于火箭一子級(jí)垂直回收的導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)達(dá)到了很高的精度，著陸精度由此前3次試驗(yàn)的10 km提高到了本次試驗(yàn)的10 m。

e）第5次：2015年2月11日，SpaceX公司用法爾肯9v1.1火箭成功將深空氣候觀測(cè)站發(fā)射入軌，并第5次嘗試回收一子級(jí)。

由于回收區(qū)域風(fēng)浪過大，海上移動(dòng)回收平臺(tái)被召回，火箭以垂直的姿態(tài)降落在預(yù)定海面上，誤差10 m。Elon Musk公開表示，“如果沒有風(fēng)暴天氣，此次回收試驗(yàn)極有可能取得成功”。

f）第6次：2015年4月14日，法爾肯9v1.1火箭/龍飛船執(zhí)行第6次國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)（CRS-6），同時(shí)進(jìn)行第6次火箭一子級(jí)回收試驗(yàn)。

視頻資料顯示，一子級(jí)垂直降落到海上移動(dòng)回收平臺(tái)上，一兩秒后由于存在側(cè)向速度，火箭傾倒在平臺(tái)上并發(fā)生爆炸，回收任務(wù)失敗。Elon Musk公開表示，“節(jié)流閥響應(yīng)慢于預(yù)定時(shí)限，導(dǎo)致火箭第一級(jí)在海上移動(dòng)平臺(tái)上硬著陸后傾覆并在數(shù)秒后爆炸”，更詳細(xì)的事故原因尚無公開資料。

g）第7次：2015年6月28日，法爾肯9v1.1火箭搭載龍飛船在卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，執(zhí)行第7次國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)（CRS-7），并計(jì)劃第7次嘗試回收火箭一子級(jí)。

火箭發(fā)射升空2分19秒后，在空中發(fā)生爆炸解體。7月20日，Elon Musk給出了當(dāng)前的具體調(diào)查結(jié)果。在二級(jí)火箭的液氧箱內(nèi)部，因固定氦氣罐的支架折斷，氦氣罐在巨大的浮力下脫離原位置并碰撞破損，泄露出的高壓氦氣進(jìn)入液氧箱使其壓力增大并最終導(dǎo)致液氧箱爆炸，進(jìn)而炸毀整個(gè)火箭。從最初發(fā)現(xiàn)異常到所有遙測(cè)信號(hào)消失，只有0.893 s。這個(gè)鋼材質(zhì)的支架設(shè)計(jì)為可以承受44.5 kN的力，而此次發(fā)射中僅僅8.9 kN力就導(dǎo)致其斷裂。

此次爆炸是法爾肯9火箭所發(fā)生的最嚴(yán)重的事故，給SpaceX公司帶來數(shù)億美元的損失，對(duì)后續(xù)的火箭發(fā)射計(jì)劃也產(chǎn)生了影響。

h）第8次：2015年12月21日，SpaceX公司用法爾肯9FT火箭將Orbcomm公司的11顆衛(wèi)星發(fā)射入軌，并首次嘗試陸地回收火箭一子級(jí)。

法爾肯9FT火箭是法爾肯9v1.1的改進(jìn)型，其總長(zhǎng)度、起飛質(zhì)量、起飛推力的增加量分別為1.6 m、 35 t、919 kN，具有更大的有效載荷能力。

此次發(fā)射活動(dòng)中載荷入軌和一子級(jí)回收均取得了圓滿成功，回收地點(diǎn)為SpaceX在卡納維拉爾角規(guī)劃的著陸一區(qū)（Landing Zone 1）?；厥粘晒螅珽lon Musk表示SpaceX公司將對(duì)回收的一子級(jí)做一次靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試，以確認(rèn)火箭所有系統(tǒng)狀態(tài)是否良好，還將進(jìn)行全推力的點(diǎn)火測(cè)試以確定它可以再次飛行，但由于其獨(dú)一無二性，這枚回收的一級(jí)火箭只會(huì)用作測(cè)試，不會(huì)再次發(fā)射。

i）第9次：2016年1月17日，法爾肯9v1.1火箭在范登堡空軍基地成功將Jason-3衛(wèi)星發(fā)射入軌，同時(shí)嘗試用海上移動(dòng)回收平臺(tái)回收火箭一子級(jí)。

SpaceX公司在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估后得出結(jié)論：火箭一子級(jí)著陸很平緩，著陸誤差為1.3 m，但著陸時(shí)三號(hào)著陸支架未能鎖定，導(dǎo)致整個(gè)火箭傾倒在回收平臺(tái)上，回收任務(wù)失敗。本次發(fā)射活動(dòng)是法爾肯9v1.1火箭的最后一次發(fā)射，未來將完全使用法爾肯9FT火箭。

縱觀以上9次火箭一子級(jí)回收試驗(yàn)，SpaceX公司經(jīng)歷了失敗、成功、再失敗，作為一個(gè)以創(chuàng)新和高效著稱的私營(yíng)商業(yè)航天公司，SpaceX擁有很強(qiáng)的解決問題的能力，試驗(yàn)中暴露出來的回收段箭體滾轉(zhuǎn)、著陸精度由10 km向10 m跨越、柵格翼液壓機(jī)油用量估算不足、著陸穩(wěn)定性不夠、零部件質(zhì)量等問題都得到了有效解決，并最終在法爾肯9FT火箭的首次發(fā)射中成功實(shí)現(xiàn)了一子級(jí)的陸地回收，然而在2016年1月的發(fā)射活動(dòng)中回收試驗(yàn)再次失敗。由此可見，火箭子級(jí)垂直回收充滿變數(shù)，探索過程會(huì)不可避免地出現(xiàn)反復(fù)，SpaceX公司要達(dá)到回收火箭子級(jí)重復(fù)使用以降低發(fā)射費(fèi)用的目標(biāo)仍任重道遠(yuǎn)。

3 法爾肯9可重復(fù)使用火箭關(guān)鍵技術(shù)分析

法爾肯9可重復(fù)使用火箭的關(guān)鍵技術(shù)包括再入大氣層熱防護(hù)技術(shù)、先進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、垂直返回高精度GNC技術(shù)、高可靠性著陸支撐技術(shù)以及健康管理技術(shù)等。

3.1 再入大氣層熱防護(hù)技術(shù)

可重復(fù)使用火箭的二級(jí)在將有效載荷送入預(yù)定軌道后會(huì)再入大氣層，將經(jīng)歷嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，為了順利完成火箭子級(jí)回收任務(wù)，保證箭體結(jié)構(gòu)溫度在允許范圍內(nèi)，需要采用可靠的熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）[4]。

法爾肯9火箭二級(jí)頭部防熱系統(tǒng)采用龍飛船所使用的PICA-X防熱罩，PICA-X是NASA專利酚醛浸漬碳燒蝕材料（PICA）的改進(jìn)型[4]?；鸺ㄟ^PICA-X的燒蝕作用吸收并帶走大量熱量，由于防熱材料被消耗，所以只能一次使用，再次使用需要重新進(jìn)行涂層。

事實(shí)上，采取何種材料防熱是一個(gè)復(fù)雜的問題，需要考慮諸多因素，如制造工藝、安裝部位、設(shè)計(jì)要求等，而起決定作用的是飛行器所面臨的氣動(dòng)熱流、熱載，這由航天器的飛行過程決定。

另外，隨著科技的進(jìn)步，熱防護(hù)系統(tǒng)方案正從單一防熱方案向主、被動(dòng)結(jié)合的防熱方案發(fā)展，“防熱-結(jié)構(gòu)”功能分開向“防熱-結(jié)構(gòu)”功能一體化發(fā)展[5]。

3.2 先進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

回收火箭子級(jí)不僅要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備多次啟動(dòng)、大范圍變推力能力，還要求發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用，這給發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

法爾肯9v1.1和法爾肯9FT一子級(jí)均采用9臺(tái)Merlin 1D泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖6），該發(fā)動(dòng)機(jī)可大范圍調(diào)節(jié)推力。Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)按照使用10次以上的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，為增加其可靠性，SpaceX公司采取了多項(xiàng)措施，如減少結(jié)構(gòu)部件、組件的個(gè)數(shù)以及進(jìn)行大量嚴(yán)酷條件的熱試車等。目前，Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)十分成熟，制造和測(cè)試完全流程化，隨著產(chǎn)量的不斷上升，其制造成本不斷降低。

圖6 Merlin 1D火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是高密度的能量釋放器，對(duì)其推力進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制時(shí)需要解決諸多技術(shù)上的難題[6]。相比于現(xiàn)有固定推力或小范圍擠壓式變推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，泵壓式深度變推力發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)元件多，針?biāo)ㄊ絿娮⑵鳌u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。目前，中國(guó)并未掌握泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)深度變推力調(diào)節(jié)技術(shù)。

另外，可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)還需要保持較高的減損控制率，否則在下一次使用前將需要進(jìn)行全系統(tǒng)的維修，這不符合可重復(fù)使用“快速、廉價(jià)”的初衷。

3.3 垂直返回高精度GNC技術(shù)

高精度GNC（Guidance，navigation and Control）技術(shù)是成功實(shí)現(xiàn)火箭子級(jí)垂直返回的關(guān)鍵技術(shù)之一，確?；鸺蛹?jí)以穩(wěn)定的姿態(tài)、按照預(yù)定的軌跡飛回指定著陸點(diǎn)。垂直返回GNC技術(shù)涉及到返回段任務(wù)規(guī)劃、彈道設(shè)計(jì)、導(dǎo)航制導(dǎo)以及姿態(tài)控制等多個(gè)專業(yè)。火箭子級(jí)海上回收GNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 GNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，針對(duì)RLV的導(dǎo)航問題，一般采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)，即將導(dǎo)航精度與時(shí)間無關(guān)的其他導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有機(jī)組合起來，以克服慣導(dǎo)誤差隨時(shí)間累積的缺點(diǎn)。常見的導(dǎo)航設(shè)備有GPS接收機(jī)、慣組、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、雷達(dá)高度表、激光測(cè)距儀等。

火箭子級(jí)返回過程中受到材料防熱、結(jié)構(gòu)、動(dòng)壓和過載等約束，采用合理的制導(dǎo)方法能有效緩解苛刻限制。世界范圍內(nèi)對(duì)飛行器的再入制導(dǎo)研究較多，早期研究主要是針對(duì)航天飛機(jī)展開的，而近期一系列的研究主要是面向美、歐等第2代可重復(fù)使用運(yùn)載器計(jì)劃而開展，以滿足對(duì)更高自主性、安全性和可靠性的需求[7]。截至目前，針對(duì)第2代可重復(fù)使用運(yùn)載器而設(shè)計(jì)的再入制導(dǎo)方法主要有[7]：線性二次調(diào)節(jié)器再入制導(dǎo)方法、預(yù)測(cè)-校正方法、準(zhǔn)平衡滑翔方法、演化的加速度制導(dǎo)方法、自適應(yīng)制導(dǎo)方法、最優(yōu)非線性反饋制導(dǎo)方法以及混合制導(dǎo)方法。上述各種新型制導(dǎo)方法均是針對(duì)高速再入情況設(shè)計(jì)的，考慮火箭子級(jí)圓柱外形及發(fā)動(dòng)機(jī)反推制動(dòng)的特性，需對(duì)上述各方法作出的適應(yīng)性改進(jìn)有待進(jìn)一步研究。

火箭子級(jí)返回需進(jìn)行大的姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，飛行空域、速域跨度大，氣動(dòng)參數(shù)偏差和干擾嚴(yán)重，此外，還面臨大長(zhǎng)細(xì)比箭體彈性變形以及由推進(jìn)劑消耗帶來的時(shí)變質(zhì)量特性等問題，這些都使得控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度較大。增益調(diào)度PID控制技術(shù)是目前飛行控制工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成功的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其思路是將非線性時(shí)變模型在一組選定的特征點(diǎn)處線性化，然后為每一個(gè)線性時(shí)不變模型設(shè)計(jì)一個(gè)PID控制器，飛行過程中通過離線的調(diào)度表來更新反饋參數(shù)。該方法簡(jiǎn)便、直觀，但其設(shè)計(jì)過程在一定程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，盡管可保證系統(tǒng)在特征點(diǎn)附近具有很好的閉環(huán)控制性能，但當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化或外部發(fā)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)，其全局穩(wěn)定性和性能指標(biāo)無法保證[8]。為此，需研究先進(jìn)智能控制算法，加強(qiáng)控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境載荷不確定性以及非致命動(dòng)力、控制機(jī)構(gòu)等故障的自適應(yīng)能力。同時(shí)，還需解決氣動(dòng)力控制、反作用力控制（RCS）和推力矢量控制等異類多執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)合控制的協(xié)調(diào)分配與管理難題，以形成一套高效可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、穩(wěn)定性分析方法。

3.4 高可靠性著陸支撐技術(shù)

著陸支撐是火箭子級(jí)垂直返回的最后一個(gè)步驟，也是決定回收成功與否的關(guān)鍵所在。目前，常用的軟著陸支撐系統(tǒng)有氣囊式和著陸支架式兩類。氣囊式的緩沖吸能元件為充氣氣囊，在著陸過程中通過排氣孔排氣以耗散沖擊能量。氣囊式吸能效果好，能夠緩解較大沖擊，但著陸姿態(tài)不易控制，可靠性不夠。著陸支架由著陸腿、緩沖器、足墊、展開鎖定機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。著陸支架工作時(shí)通過著陸腿內(nèi)部緩沖器的壓縮變形吸收沖擊能量，著陸后不反彈，具有著陸姿態(tài)穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，因此，法爾肯9采用著陸支架方式。

圖8 著陸支架結(jié)構(gòu)示意

著陸支架的設(shè)計(jì)方案主要包括著陸腿的數(shù)量及緩沖器類型，常用的方案及特點(diǎn)見表3。

表3 常見著陸支架方案及特點(diǎn)[4]

可重復(fù)使用火箭著陸支架的設(shè)計(jì)需考慮以下3個(gè)要求：a）具有良好的緩沖功能，減小對(duì)子級(jí)結(jié)構(gòu)的沖擊過載；b）能適應(yīng)子級(jí)著陸時(shí)姿態(tài)傾斜及具有水平速度的情況，保證著陸的穩(wěn)定性；c）著陸支架展開后應(yīng)具備抗發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的熱防護(hù)能力。

3.5 健康管理技術(shù)

可重復(fù)使用運(yùn)載器各系統(tǒng)高度集成，工作環(huán)境惡劣多變，為達(dá)到快速重復(fù)使用及降低壽命周期維修費(fèi)用的目的，健康管理技術(shù)受到越來越多的重視和應(yīng)用。

對(duì)運(yùn)載器而言，健康是指與期望的正常性能狀態(tài)相比較的性能一致性程度，健康管理是指根據(jù)診斷/預(yù)測(cè)信息、可用維修資源和使用要求對(duì)整個(gè)任務(wù)做出適當(dāng)決策的能力[9]。實(shí)際工程中，通過選用先進(jìn)傳感器，采集運(yùn)載器的狀態(tài)信息，通過數(shù)據(jù)信息的處理，選擇合適的方法，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè)，并對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行健康評(píng)估，采取適當(dāng)?shù)木S修決策，保障運(yùn)載器順利完成任務(wù)[10]。

健康管理技術(shù)是在美國(guó)國(guó)防部（DoD）和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的大力推動(dòng)下不斷發(fā)展、成熟起來的，其發(fā)展過程可大致分為可靠性分析、故障分析與預(yù)測(cè)、綜合診斷與系統(tǒng)監(jiān)控、綜合系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)和健康管理5個(gè)階段[11]。近年來，典型的健康管理平臺(tái)有以下幾種：

a）感應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)。感應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)（Inductive Monitoring System，IMS）利用正常運(yùn)行累積的歷史數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)特征的正常知識(shí)庫，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)偏離正常庫一定范圍時(shí)，則認(rèn)為出現(xiàn)了異常，或者將會(huì)出現(xiàn)異常，發(fā)出異常警報(bào)[11]。IMS已經(jīng)成功應(yīng)用于航天飛機(jī)健康監(jiān)控、空間站控制力矩陀螺故障檢測(cè)、運(yùn)載火箭推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等航空航天復(fù)雜系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是純粹從數(shù)據(jù)出發(fā)，不用考慮對(duì)象的模型特征；缺點(diǎn)是當(dāng)數(shù)據(jù)量不夠覆蓋所有正常狀態(tài)時(shí)虛警率較高。

b）利文斯頓系統(tǒng)。利文斯頓（Livingstone）系統(tǒng)是一種基于模型的健康管理系統(tǒng)，自開發(fā)起，先后應(yīng)用于深空1號(hào)（DS-1）探測(cè)器、地球觀測(cè)-1（EO-1）衛(wèi)星、以及X-34、X-37等重復(fù)使用運(yùn)載器上[11]。其優(yōu)點(diǎn)是預(yù)測(cè)結(jié)果精確，適合定量計(jì)算；缺點(diǎn)是不適用很難獲得精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

c）集成系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)。集成系統(tǒng)健康管理（Integrated System Health Management，ISHM）系統(tǒng)也是一種基于模型的健康管理系統(tǒng)，依靠傳感器測(cè)量值與模型預(yù)測(cè)值的比較進(jìn)行故障診斷。目前，ISHM系統(tǒng)主要應(yīng)用于A-1試驗(yàn)臺(tái)和J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)，其在體系框架、異常檢測(cè)與診斷技術(shù)、預(yù)測(cè)技術(shù)、智能傳感器和部件技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)上取得了新進(jìn)展，代表了目前健康管理技術(shù)的先進(jìn)水平[9]。

總體來說，健康管理技術(shù)已逐漸成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，在工程實(shí)踐中的驗(yàn)證和應(yīng)用正如火如荼地展開。

一旦以上各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得以突破，火箭子級(jí)的可控回收和重復(fù)使用將獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，將突破傳統(tǒng)一次性運(yùn)載火箭的利用模式，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、快速、靈活進(jìn)出空間，達(dá)到大規(guī)模開發(fā)空間和利用空間的目的。

4 法爾肯9可重復(fù)使用火箭研制經(jīng)驗(yàn)啟示

為研制法爾肯9可重復(fù)使用火箭，SpaceX公司開展了一系列重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。在系統(tǒng)梳理這些試驗(yàn)，并對(duì)垂直回收可重復(fù)使用火箭關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得出如下經(jīng)驗(yàn)和啟示：

a）增強(qiáng)危機(jī)意識(shí)，密切跟蹤國(guó)外可重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域新動(dòng)態(tài)。

可重復(fù)使用運(yùn)載器是世界航天發(fā)展的戰(zhàn)略方向之一，美國(guó)作為世界新軍事革命的引領(lǐng)者，為保持航天強(qiáng)國(guó)的長(zhǎng)期成功和絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)力，自20世紀(jì)五六十年代以來，已在可重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索和研究。近年來，SpaceX公司開展的一系列重復(fù)使用技術(shù)試驗(yàn)，吸引了全世界航天領(lǐng)域的極大關(guān)注，彰顯了美國(guó)的實(shí)力與地位。同時(shí)，SpaceX公司低成本的設(shè)計(jì)理念，也進(jìn)一步加劇了商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。面對(duì)國(guó)際航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的重大趨勢(shì)和激烈的商業(yè)發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)應(yīng)該解放思想，開闊視野，密切跟蹤國(guó)外可重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域新進(jìn)展。

b）遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律，重視飛行演示驗(yàn)證，循序漸進(jìn)推動(dòng)可重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)發(fā)展。

垂直回收可重復(fù)使用火箭技術(shù)難度大、發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)高，Elon Musk主張，驗(yàn)證一項(xiàng)技術(shù)方案可行性的最好辦法就是不斷地試驗(yàn)，甚至用飛行去試驗(yàn)。SpaceX公司正是通過一系列演示驗(yàn)證項(xiàng)目，持續(xù)不斷地提高技術(shù)成熟度，不斷向重復(fù)使用的目標(biāo)邁進(jìn)。中國(guó)在研究可重復(fù)使用運(yùn)載器時(shí)，需要根據(jù)自身基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展水平，通過嚴(yán)格論證，適當(dāng)、適時(shí)地選擇演示驗(yàn)證項(xiàng)目，通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)的解決方案和技術(shù)成熟度，檢驗(yàn)總體方案的可行性，提高對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)與控制能力，促進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)階梯式進(jìn)步，為項(xiàng)目發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

c）冷靜、客觀看待SpaceX公司垂直回收可重復(fù)使用火箭研制之路。

SpaceX公司的火箭一子級(jí)回收試驗(yàn)經(jīng)歷了失敗、成功、再失敗，表明了航天發(fā)射活動(dòng)具有高風(fēng)險(xiǎn)性，一次性火箭發(fā)射成功尚屬不易，實(shí)現(xiàn)火箭子級(jí)的重復(fù)使用將是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。此外，火箭子級(jí)可控垂直回收要求返回過程中發(fā)動(dòng)機(jī)多次啟動(dòng)，必定需要級(jí)間分離時(shí)一子級(jí)保留一定的推進(jìn)劑，這會(huì)導(dǎo)致法爾肯9火箭運(yùn)載能力下降。事實(shí)上，SpaceX公司子級(jí)回收試驗(yàn)不是在每次發(fā)射任務(wù)中都進(jìn)行了嘗試，而是在法爾肯9火箭運(yùn)載能力有足夠余量的情況下進(jìn)行的。額外增加的返回過程中使用的RCS、慣性器件、柵格翼、著陸支架等設(shè)備也將增加火箭的復(fù)雜度和成本?；鸺蛹?jí)回收成功后，考慮到結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)的減損，再次使用的可靠性評(píng)估也是必須要解決的一大難題。因此，需要冷靜、客觀看待SpaceX公司垂直回收可重復(fù)使用火箭研制之路，慎重選擇適合中國(guó)國(guó)情的可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展道路。

5 結(jié)束語

SpaceX公司已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)火箭一子級(jí)的陸地回收，能否因此降低航天發(fā)射費(fèi)用還有待時(shí)間檢驗(yàn)。不管怎樣，其在可重復(fù)使用運(yùn)載器研制領(lǐng)域獨(dú)辟蹊徑的創(chuàng)新精神、循序漸進(jìn)的研制流程和由此引發(fā)的思考，值得借鑒。中國(guó)的重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)發(fā)展之路，應(yīng)科學(xué)合理布局，持續(xù)不斷推進(jìn)，盡早有所建樹，為中國(guó)加快推動(dòng)航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)提供強(qiáng)有力支撐。

[1] 果琳麗, 劉竹生, 朱永貴, 余夢(mèng)倫, 唐一華. 兩級(jí)入軌完全重復(fù)使用運(yùn)載火箭的方案分析與彈道仿真計(jì)算[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 1999(6): 1-9.

[2] 楊勇, 王小軍, 唐一華, 李東. 重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2002(5): 15-19.

[3] 楊勇. 我國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展思路探討[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2006(4): 1-4.

[4] 馮韶偉, 馬忠輝, 吳義田, 等. 國(guó)外運(yùn)載火箭可重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2014(5): 82-86.

[5] 黃盛. 新型空天飛行器與熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2011.

[6] 岳春國(guó), 李進(jìn)賢, 馮喜平, 唐金蘭. 針?biāo)ㄊ阶兺屏鸺l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展探索[J]. 世界科技研究與發(fā)展, 2008, 30(5): 609-612.

[7] 湯一華, 余夢(mèng)倫, 楊勇, 謝澤兵. 第二代可重復(fù)使用運(yùn)載器及其再入制導(dǎo)技術(shù)[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2010(1): 26-31.

[8] 吳文海, 高麗, 周勝明. 飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 25(4): 421-426.

[9] 周磊, 朱子環(huán), 耿衛(wèi)國(guó), 楊思鋒. 美國(guó)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中健康管理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2013(5): 20-25.

[10] 董志存. 航天器綜合健康管理系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[11] 羅榮蒸, 孫波, 張雷, 劉鶴. 航天器預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究[J]. 航天器工程, 2013, 22(4): 95-102.

Survey and Review on Development of Falcon 9 Reusable Rocket

Zheng Xiong, Yang Yong, Yao Shi-dong, Chen Hong-bo

(R&D Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The SpaceX, American company, announced that it would develop Falcon 9 reusable rocket in September 2011. So far many experiments have been done, causing widespread concern in the international aerospace industry. This paper first briefly introduces the recovery scheme of Falcon 9 reusable rocket, and then sorts out the relevant tests. Besides, the key technologies involved were analyzed. In the end, on the basis of above, the development experience and enlightenment were summarized.

SpaceX; Falcon 9; Vertical landing; Key technologies

1004-7182(2016)02-0039-08

10.7654/j.issn.1004-7182.20160209

V475

A

2015-09-07；

2015-12-08

鄭 雄（1989-），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)轱w行器總體設(shè)計(jì)