火箭一子級回收技術日趨成熟，但復用仍需時間

楊開 （北京航天長征科技信息研究所）

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火箭一子級回收技術日趨成熟，但復用仍需時間

楊開 （北京航天長征科技信息研究所）

美國東部時間2016年6月15日，美國獵鷹-9在完成預發(fā)射任務后回收第一級時，因1臺發(fā)動機故障而回收失敗。不過此前的2016年5月27日，獵鷹-9改進型執(zhí)行泰國通信衛(wèi)星高軌任務時，在海上回收獲得成功，這是獵鷹-9連續(xù)第3次成功在海上回收。自2015年12月以來，美國太空探索技術公司（SpaceX）在火箭一子級回收計劃上取得的成就令人驚嘆，從低軌任務的陸地回收到低軌任務的海上回收，再到高軌任務的海上回收，獵鷹-9火箭不斷刷新紀錄，一子級回收技術漸入佳境，證明了有動力垂直返回技術是一種可行的重復使用方案，但目前還不成熟。

1 引言

SpaceX公司成立之初的目標就是要打破傳統(tǒng)發(fā)射服務運營商的高昂價格，因此，在火箭方案設計階段就已經考慮到了重復使用的問題。根據SpaceX公司和美國航空航天局（NASA）在2006年簽訂的太空行動協議，獵鷹-9v1.0型的一二子級都將采用重復使用設計，但是并沒有提及具體的設計方案。2010年，獵鷹-9v1.0型首飛時一子級外表面安裝燒蝕材料，內部安裝降落傘，試驗降落傘回收火箭一子級的方案。但是采用鋁鋰合金結構的一子級在返回過程中因承受不住氣動載荷和熱載荷而解體，傘降回收的嘗試失敗。隨后，SpaceX公司決定放棄傘降方案，迅速轉向有動力的垂直返回技術：2012年就開始利用獵鷹-9v1.0一子級改造的“蚱蜢”驗證機驗證垂直起降技術；2013年初淘汰獵鷹-9v1.0，為適應有動力垂直返回方案而設計的獵鷹-9v1.1投入使用。

麥·道公司的DC-X垂直起降驗證機進行垂直起降飛行試驗

SpaceX公司的重復使用技術發(fā)展途徑

2 SpaceX公司火箭一子級回收之路

SpaceX公司選擇的垂直反推回收方案與麥 道公司（McDonnell Douglas）在20世紀90年代提出的“德爾他快帆”（DC-X/XA）方案類似。DC-X裝有4臺RL-10A-5發(fā)動機，推力可以在30%～100%之間調節(jié)，共進行了8次飛行試驗，最高飛行高度為2652m。DC-XA是DC-X技術驗證機的改進型，共進行了4次飛行試驗，第三次飛行高度達到3200m，飛行器在第4次飛行試驗中爆炸被毀，原計劃進行的第5次飛行試驗也被取消，該項技術驗證計劃也隨之提前結束。

雖然技術方案相同，但是SpaceX公司更多是瞄準了技術應用而非單純的演示驗證，采用 “驗證機驗證——發(fā)射任務驗證——回收嘗試”的發(fā)展途徑，從2012年初開始利用“蚱蜢”驗證機進行技術驗證，到2015年底首次回收成功，SpaceX公司的進步速度之快令人驚訝，但是火箭回收之路并非一蹴而就，其技術發(fā)展過程也值得深思。

第一步：驗證機驗證

SpaceX公司共使用了2臺技術驗證機：“蚱蜢”垂直起降技術驗證機和獵鷹-9可重復使用驗證機（F9R-Dev1）?！膀乞臁彬炞C機進行了8次試驗，已經停止使用，獵鷹-9R-Dev1進行了5次試驗，在2014年8月進行的第5次試驗中炸毀。

（1）“蚱蜢”驗證機

“蚱蜢”驗證機以獵鷹-9v1.0火箭一子級為基礎改造，高約32m，裝有1臺推力540kN的灰背隼-1D發(fā)動機。底部安裝了4支配有液壓減震裝置的金屬著陸支架和1套金屬支撐結構，在著陸前起緩沖作用。驗證機垂直起飛、垂直著陸，試驗過程中發(fā)動機全程保持工作，通過發(fā)動機推力矢量控制實現箭體姿態(tài)穩(wěn)定，通過發(fā)動機推力大范圍調節(jié)，實現上升、懸停、減速和著陸。

“蚱蜢”驗證機共進行了8次飛行試驗。然而，“蚱蜢”驗證機的飛行高度僅有744m，試驗的經驗積累也不夠多，所以為了進一步推動其垂直起降技術的發(fā)展，SpaceX公司又開展了可重復使用驗證機的試驗。

（2）可重復使用驗證機

結束“蚱蜢”驗證機的試驗之后，SpaceX公司利用獵鷹-9v1.1火箭一子級改造形成了獵鷹-9可重復使用驗證機，高約42m，裝有3臺灰背隼-1D發(fā)動機以及4個碳纖維鋁合金蜂窩結構的著陸支架?？芍貜褪褂抿炞C機還裝有冷氣反作用控制系統(tǒng)進行輔助的姿態(tài)控制。

“蚱蜢”驗證機

“蚱蜢”垂直起降驗證機試驗情況匯總表

可重復使用驗證機進行了5次低空飛行試驗，最大飛行高度1000m，在2014年8月進行的第5次飛行試驗中炸毀。

2014年4月17日，可重復使用驗證機完成首次垂直起降試驗，飛行高度250m，時間不到1min。在試驗機的飛行試驗中，其著陸架呈展開狀態(tài)（著陸架收起狀態(tài)長7m，展開長度為18m），起飛時只有1臺發(fā)動機工作，可重復使用驗證機試驗場包括發(fā)射臺和著陸臺兩部分，驗證機在飛行中需要進行橫向移動。

可重復使用驗證機

2014年5月1日，可重復使用驗證機進行第二次飛行試驗，高度1000m，時間大約2min，其他情況與首次飛行試驗類似。

獵鷹-9上的格柵翼

2014年6月17日，可重復使用驗證機進行第三次飛行試驗，高度仍為1000m，試驗時間大約2min，此次飛行中采用了格柵翼進行控制，格柵翼大約在1min11s時打開。

2014年8月1日，根據SpaceX公司在美國航空航天學會（AIAA）2014年的航天大會上的報告，可重復使用驗證機又進行了一次飛行試驗，對新的作動器和軟件系統(tǒng)進行了研究。

2014年8月22日，可重復使用驗證機在進行第5次飛行試驗時發(fā)生故障，觸發(fā)了飛行終止系統(tǒng)（FTS）致使飛行器在空中解體爆炸。此次事故沒有造成人員損傷。在之前的試驗中，可重復使用驗證機的3臺發(fā)動機中僅有一臺工作，而此次發(fā)生故障的試驗中，3臺發(fā)動機都處于工作狀態(tài)。

第二步：發(fā)射任務技術驗證

2013年9月29日，獵鷹-9v1.1火箭首飛便開始進行一子級回收技術的驗證，包括發(fā)動機重啟、返回彈道、姿態(tài)控制、推力調節(jié)、著陸支架等，與驗證機計劃同步開展。

（1）2013年9月29日，獵鷹-9v1.1型火箭的首次飛行

按計劃，火箭一子級9臺發(fā)動機中的3臺發(fā)動機將重啟兩次。在實際任務中，發(fā)動機第二次重啟失敗?；鸺蛔蛹壍牡谝淮沃貑⒊晒Γ瑢⒁蛔蛹壦腿朐偃胲壍?，地面控制中心獲得相關數據；但在二次重啟中，由于一子級箭體因故障發(fā)生滾轉，發(fā)動機提前關機，一子級最終墜入范登堡空軍基地以南幾百英里的太平洋海域。

（2）2014年4月18日，獵鷹-9v1.1型火箭執(zhí)行第3次“國際空間站”“商業(yè)補給服務”（CRS-3）任務

在本次任務中，獵鷹-9v1.1型火箭一子級首次安裝了7.6m長的著陸架，著陸架采用碳纖維和鋁合金蜂窩材料，利用高壓氦氣氣動系統(tǒng)展開，伸展長度為18m，總質量為2t?；鸺谄痫w3min后一、二級分離，飛行高度80km，飛行速度馬赫數為10。此后，一子級3臺發(fā)動機通過兩次重啟調整速度方向并減小再入速度，向距卡納維拉爾角東北部幾百千米的大西洋海域著陸區(qū)域降落。

發(fā)射結束后，通過修復得到的視頻證明一子級著陸架成功展開，并垂直降落在海面上。此外，公司的遙測數據表明一子級滾轉速度接近于零，傳感器工作正常。

（3）2014年7月14日，獵鷹-9v1.1火箭發(fā)射軌道通信公司（ORBCOMM）的6顆衛(wèi)星

獵鷹-9著陸支架

在本次發(fā)射中，SpaceX公司再次嘗試回收一子級。獵鷹-9火箭一子級在返回地面過程中重啟3臺發(fā)動機，實現火箭一子級的受控下降，并預計在落入海面前展開攜帶的4個著陸架，降落目的地是卡納維拉爾角東北方向幾百千米遠的海域。隨后，SpaceX公司公布了一子級垂直降落的視頻，著陸支架成功展開。

（4）2014年9月21日，獵鷹-9v1.1火箭執(zhí)行第4次 “商業(yè)補給服務”任務

此次發(fā)射任務中，NASA派出兩架飛機監(jiān)控火箭一子級有動力再入返回過程，并收集了相關的飛行數據。NASA希望利用這些數據研究未來火星著陸的問題，而SpaceX公司則可以依靠這些數據改進其一子級可重復使用技術。

第三步：回收嘗試

經過“蚱蜢”驗證機和可重復使用驗證機的飛行試驗，以及獵鷹-9v1.1飛行任務中的4次技術驗證之后，SpaceX公司從2015年開始著手進行火箭一子級的回收嘗試，分別于2015年12月和2016年4月首次實現了一子級的陸地和海上回收。

（1）2015年1月10日，獵鷹-9v1.1火箭執(zhí)行第5次“商業(yè)補給服務”任務

將二子級送入預定軌跡后，一子級準備開始返回大西洋上距離發(fā)射點354km的海上回收平臺——自主航天港無人船（ASDS）。馬斯克稱，在平臺上著陸就像尋找一個針尖大小的目標，試驗成功的機率只有50%。

一子級與二子級分離15s之后，一子級利用冷氣姿態(tài)控制系統(tǒng)離開二子級的羽流，之后繼續(xù)上升達到最高點140km處，重新啟動部分發(fā)動機，進行回程點火，控制縱程距離，開始瞄準91m×52m的無人船。之后，一子級進入彈道飛行階段。進入大氣層后，一子級展開4個格柵翼，這些格柵翼已經在可重復使用驗證機飛行器上進行過低空低速的驗證。4個格柵翼各自獨立控制，采用兩自由度設計，可同時滾轉和傾斜，允許在大氣層飛行過程中進行復雜的制導控制。一子級的3臺灰背隼-1D發(fā)動機在70km的高度再次點火反推，降低再入速度。加上空氣阻力的作用，一子級速度從1200m/s降低至250m/s。在飛越大氣層的過程中，一子級重心很低（幾乎沒有推進劑，質量集中在底部的發(fā)動機上），利用格柵翼保持飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定，并進行俯仰角度修正，進一步調整縱程距離，瞄準海上回收平臺的位置。此時，海上平臺附近（保持安全距離）布置了一艘支援船只，記錄一子級的遙測數據和視頻。

在最后的著陸點火時，只有中心的一臺發(fā)動機再次啟動，一子級最后精確調整飛行路線，垂直地下降到平臺的X標記上方。在下降前10s，4個著陸支架利用增壓氦氣展開。

獵鷹-9著陸過程的模擬畫面

結果表明，一子級成功找到了“針尖”大的平臺，但是未能夠在平臺上站立，一子級返回時著陸速度過高且姿態(tài)傾斜，撞毀在平臺上?；厥諊L試失敗之后SpaceX公司表示，火箭上安裝的格柵翼從高超聲速到亞聲速飛行階段的工作都非常好，但是在著陸之前耗盡了液壓液，不能進行有效的減速和姿態(tài)控制。此后的任務中，SpaceX公司將液壓液的加注量提高了50%。

（2）2015年2月11日，獵鷹-9v1.1火箭發(fā)射美國國家海洋和大氣管理局的“深空氣候觀測臺”衛(wèi)星（DSCOVR）

此次發(fā)射任務需要將衛(wèi)星送入近地點187km、遠地點1241000km、傾角為37°的軌道，高軌任務增加了火箭回收的難度，因為火箭一子級速度提高了很多，返回過程中承受的氣動壓力將是第一次回收嘗試任務中的2倍，而且返回過程中推進劑余量不夠充足，只能進行兩次點火。發(fā)射當天海上天氣情況較差，海上回收平臺未能到位，一子級只能進行動力反推試驗，SpaceX公司稱一子級返回過程中的姿態(tài)和速度都得到了有效控制。

（3）2015年4月，獵鷹-9v1.1火箭執(zhí)行第6次“商業(yè)補給服務”任務

在本次任務中，SpaceX公司再次嘗試利用海上平臺火箭一子級，火箭雖然降落到了海上平臺上，但屬于“硬著陸”，由于橫向速度過大失去平衡而翻倒，大部分部件已經損壞。后續(xù)調查表明，是由于控制系統(tǒng)的相位滯后問題引起的速度失控。

（4）2015年12月，獵鷹-9改進型執(zhí)行軌道通信-2（Orbcomm-2）發(fā)射任務成功實現一子級陸地回收

獵鷹-9火箭改進型從卡納維拉爾角的第40號發(fā)射工位起飛，大約14min后將軌道通信公司的11顆衛(wèi)星送入近地軌道。在火箭二子級上升入軌的過程中，火箭一子級通過一系列的發(fā)動機點火和機動，成功返回第1著陸區(qū)域，該區(qū)域距40號發(fā)射工位只有幾英里的距離。根據SpaceX公司的網絡視頻直播，火箭一子級大約在發(fā)射后10min成功地垂直降落在著陸區(qū)域。

（5）2016年1月，獵鷹-9v1.1執(zhí)行賈森-3 （Jason-3）任務時海上回收失敗

最后一發(fā)獵鷹-9v1.1型火箭執(zhí)行高軌任務，火箭一子級成功進行了再入返回，在降落之前很好地控制了姿態(tài)和速度，垂直降落到海上平臺上，但是由于一條著陸支架折斷，導致翻倒炸毀。后續(xù)調查表明，由于當天的大霧天氣導致著陸支架在發(fā)射過程中結冰，降低了支架強度，最終使得支架折斷。

（6）2016年3月，獵鷹-9改進型執(zhí)行歐洲衛(wèi)星-9（SES-9）任務時海上回收失敗

此次任務是獵鷹-9改進型發(fā)射載荷最大的高軌任務，載荷質量5.3t，SpaceX公司事前也稱此次回收成功的可能性很小。最終也是由于一子級分離點高度高、再入速度大，沒有準確降落在駁船中心，而是傾斜著“撞”上了海上平臺。

（7）2016年4月，獵鷹-9改進型執(zhí)行第8次“商業(yè)補給服務”任務時成功實現海上回收

獵鷹-9火箭在執(zhí)行第8次“商業(yè)補給服務”任務時，成功實現了火箭一子級的海上平臺著陸，并成功將龍飛船送入預定軌道。

賈森-3任務中海上平臺回收嘗試已經非常接近成功

今年5月初回收的一子級嚴重受損

（8）2016年5月6日，獵鷹-9改進型執(zhí)行日本通信衛(wèi)星-14高軌任務時再次成功實現海上回收

在發(fā)射任務中，獵鷹-9火箭一子級在上升段工作了2min38s，相比4月9日低軌任務的工作時間增加了8s，一子級的速度提高了很多，而推進劑余量卻降低了。正常情況下，一子級返回過程中要重啟工作3次，即回程點火、再入點火和著陸點火，但是由于推進劑余量不足，此次任務中只能進行再入點火和著陸點火。這種情況下一子級在完成再入點火后的速度為2km/s，而低軌任務中的完成回程點火和再入點火后的速度為1km/s，也就是說速度提高了1倍。為了能夠在降落之前抵消掉上述速度增量，此次著陸點火過程中先重啟了3臺發(fā)動機（以往任務中都是重啟1臺發(fā)動機）。最后，在著陸前幾秒鐘關閉兩側的發(fā)動機，利用中心發(fā)動機實現高精度著陸。

（9）2016年5月27日，獵鷹-9改進型執(zhí)行泰國通信衛(wèi)星高軌任務時，連續(xù)第3次在海上回收獲得成功

雖然著陸成功，但是馬斯克也表示，火箭在著陸時存在“一定傾倒風險，速度接近設計極限”，說明高軌任務的回收仍有一定難度和風險。

3 回收后的一子級情況

目前，SpaceX公司已經回收的三枚火箭一子級，都停放在卡納維拉爾角第39A發(fā)射工位的廠房內。2015年12月在陸地回收的第一枚火箭一子級未來將不再復飛，而是要放到SpaceX公司的總部進行展示。今年4月份在海上回收的第二枚火箭原計劃在6月份復飛，但是由于試驗時間推遲導致復飛計劃往后推遲到今年9月。

今年5月初回收的第三枚火箭一子級，則由于再入返回的速度太高受到了嚴重的損壞，目前還很難確定能否復飛。而5月底的回收中，火箭一子級雖然著陸成功，但是著陸速度基本達到了極限值，在平臺著陸時蜂窩鋁合金結構的緩沖裝置完全撞毀，不過馬斯克表示緩沖裝置在后續(xù)任務中可以更換。

4 小結

回收火箭最重要的意義在于降低發(fā)射成本，SpaceX 總裁兼首席運營官格溫·肖特維爾在發(fā)布會上表示：目前精確確定可重復使用火箭會降低多少費用還為時過早，但是一級火箭推進劑的成本不到100萬美元，而一級回收后修復的費用約為300萬美元，那么回收后再發(fā)射的費用降低30%是可行的，發(fā)射費用可降至4000萬美元。需要注意的是，上述費用僅是初步估計，如果考慮到火箭運載能力損失、火箭回收之后的修繕成本以及重復使用次數等問題后，還無法判斷SpaceX公司是否可通過利用回收火箭降低發(fā)射成本，更無法確定能有多大的降幅。例如，按照最近SpaceX公司公布的獵鷹-9火箭運載能力，完全一次性使用的情況下，其GTO運載能力為8.3t，而此次發(fā)射的衛(wèi)星質量為4.7t左右，回收火箭一子級大約損失了3.6t的運載能力，約為43.4%。這樣的運載能力損失對于成本影響顯然也非常大。

SpaceX公司利用成熟技術在重復使用運載器技術上成功開辟了一條可行路徑，不過真正實現重復使用還需要一定時間。未來獵鷹-9火箭的回收和重復使用可能還會經歷很多坎坷，但是SpaceX公司堅持創(chuàng)新和大膽決策的風格，仍會推動重復使用技術和航天技術的快速發(fā)展和應用。

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