從 屢戰(zhàn)屢敗到 習以為常
——“獵鷹”火箭回收技術逐步成熟

□ 張雪松

從 屢戰(zhàn)屢敗到 習以為常
——“獵鷹”火箭回收技術逐步成熟

□ 張雪松

1月15日凌晨1點54分，10顆新一代銥星由太空探索技術公司的“獵鷹”9號火箭成功發(fā)射，這是去年9月1日“阿莫斯”6衛(wèi)星事故后“獵鷹”火箭重整旗鼓的一次發(fā)射，火箭第一級也成功實現(xiàn)了海上回收。時至今日，“獵鷹”火箭的一級回收試驗從屢戰(zhàn)屢敗發(fā)展到眾人習以為常，一級火箭的反推垂直降落回收技術逐步成熟。

2015年12月22日，“獵鷹”9號V1.1全推力版的第一級在卡納維拉爾角著陸場著陸成功

軌道器復用的航天飛機

致力于廉價進入太空

太空探索技術公司致力于廉價進入太空，從一開始就瞄準了運載火箭的重復使用。航天領域運載工具重復使用的研究已有幾十年的歷史，但工程師們習慣性地追求“高端大氣上檔次”的實現(xiàn)方案，比如軌道器復用的航天飛機或是使用超燃沖壓發(fā)動機單級入軌的國家空天飛機（NASP），這些嘗試不是沒有帶來發(fā)射成本的下降，就是因技術難度太大半途而廢。太空探索技術公司走的是一條新路：他們在成功的一次性火箭的基礎上進行改進，衍生出可重復使用的運載火箭。這樣的思路盡顯公司老板馬斯克的商人本色，雖然他極為熱衷運載火箭的重復使用，并大力鼓吹復用會將成本降低到現(xiàn)有火箭的十分之一甚至更低，但是實際研制中卻是一步一個腳印地走過來：先做到一種成功的一次性火箭保底，隨后漸進提高復用程度，即使復用開發(fā)失敗，也能保住廉價航天發(fā)射商的地位。

垂直起降先鋒——道格拉斯公司的DC-X

火箭重復使用的發(fā)展思路更明智，并不等于最后一定成功。太空探索技術公司早期試圖通過降落傘回收火箭第一級，這是過去航天公司們熱衷討論的方案之一，但現(xiàn)實無情地打破了這個美夢：“獵鷹”9號火箭連續(xù)兩次發(fā)射的回收中，第一級箭體不是沒信號直接解體，就是有了信號但仍然解體。事實證明，餡大皮薄的火箭第一級直接無控再入，是很難在苛刻的熱環(huán)境和大過載下完好無損地保存下來的。根據(jù)這一經(jīng)驗，同時借鑒道格拉斯公司DC-X等垂直發(fā)射和降落的航天器的思路，太空探索技術公司轉(zhuǎn)向火箭反推減速并飛回發(fā)射場的方案，早期的試驗著重于突破完整再入大氣層和完成海上垂直降落的嘗試。

降落在海上平臺的“獵鷹”9號火箭的第一級

銥星發(fā)射后，“獵鷹”9號火箭的第一級準備在海上降落

執(zhí)行CRS-8發(fā)射任務的“獵鷹”9號火箭第一級首次在船上降落成功

海上回收技術逐漸成熟

“獵鷹”9號火箭第一級受控再入大氣層的試驗非常順利，這相當出人意料。2013年9月執(zhí)行發(fā)射CASSIOPE衛(wèi)星的飛行中，火箭第一級反推減速并安全再入大氣層，雖然海面軟接觸前的最后一次反推中，火箭異常滾動導致燃料輸送不濟，發(fā)動機關機還是把火箭摔成碎片，但距離完整落海只有一步之遙。2014年4月CRS-3任務中，“獵鷹”9號火箭第一級就安全完整地落到海面，并發(fā)送出聯(lián)系信號。隨后火箭在海上回收平臺上軟著陸的試驗卻幾經(jīng)坎坷，雖然落到回收船附近并不困難，但最后的著陸卻控制不佳，接連砸到船上。2015年6月“獵鷹”火箭空中爆炸后，“獵鷹”火箭暫時停止發(fā)射，更是為一級回收蒙上了陰影。難能可貴的是，2015年底“獵鷹”火箭首次恢復發(fā)射時，太空探索技術公司不僅使用大幅度改進的“獵鷹”9號V1.1全推力版，更選擇繼續(xù)進行一級著陸試驗?；侍觳回撚行娜耍?015年12月22日“獵鷹”9號V1.1全推力版的第一級在卡納維拉爾角著陸場著陸成功，以無可辯駁的事實宣告了火箭反推垂直著陸方式的可行性。

“獵鷹”火箭一級陸地著陸的成功，只是萬里長征的第一步。即使“獵鷹”火箭的質(zhì)量比很高，但火箭第一級返回陸地著陸仍會損失很大的運載能力。按照太空探索技術公司的說法，如果降落在海面的回收船上，火箭要損失約15%的運載能力；而飛回發(fā)射場著陸，損失的運載能力高達30%！至于未來的重型“獵鷹”，芯級要飛回陸上發(fā)射場更是要極大地損失運載能力，所以海上回收仍然是更好的選擇。

2016年1月17日，“獵鷹”9號發(fā)射“賈森”3衛(wèi)星時進行了海上回收，火箭第一級順利軟著陸，但其中的一個著陸腿沒有鎖住，導致火箭倒下爆炸，但這一次試驗雄辯地證明了海上回收并沒有不可逾越的工程障礙。2016年4月8日執(zhí)行CRS-8貨運補給任務時，“獵鷹”9號第一級在大西洋上的回收船上著陸成功。5月6日“獵鷹”9號發(fā)射日本的JCSat-14衛(wèi)星，第二級負責將衛(wèi)星送入同步轉(zhuǎn)移軌道，第一級則再入返回并著陸成功，這也是第一次同步軌道發(fā)射任務的成功著陸。“獵鷹”9號火箭接下來又在5月27日發(fā)射THAICOM8通信衛(wèi)星后落船成功，隨后雖然有一次垂直降落時燃料耗盡砸到甲板的事故，但也有CRS-9任信衛(wèi)星發(fā)射，只計算同步軌道發(fā)射任務也有75%的成功率。

火箭復用期待修成正果

按照太空探索技術公司的路線圖，接下來將使用回收的一級火箭配合新的第二級進行商業(yè)發(fā)射。去年回收的一枚舊火箭已被粉刷一新，并完成了相關測試工作，計劃在3月初重新進入太空，創(chuàng)造歷史。此外今年的重型“獵鷹”火箭的兩個助推器，也將直接使用回收復用的“獵鷹”9號也不太美妙。2016年3月肖特維爾曾表示通過復用第一級，“獵鷹”9號火箭發(fā)射報價有望降低30%，或者說6100萬美元的發(fā)射報價有望降低到4300萬美元。同年10月肖特維爾調(diào)低了預期，表示復用后降價幅度只有10%。太空探索技術公司曾對訂購兩枚或多枚火箭的客戶提供大致相仿的打折，對比之下火箭復用第一級后的報價吸引力實在有限。航天愛好者們期待將發(fā)射成本降低為現(xiàn)在幾分之一甚至幾十分之一，就更是遙遙無期的夢想了。務和JCSat-16任務的連續(xù)著陸成功。2016年3月太空探索技術公司總裁肖特維爾曾謹慎地表示，“獵鷹”9號火箭發(fā)射近地軌道任務的一級著陸成功率為75%到80%，而同步軌道任務的著陸成功率為50%到60%。那時太空探索技術公司只有2015年底的一次成功著陸經(jīng)驗，但從事后的實際結(jié)果看，“獵鷹”9號火箭著陸成功率遠好于預期，從2016年4月到2017年1月的7次任務中只有1次失敗，而這7次任務中有4次是通火箭第一級。如果一級火箭的重復使用獲得成功，這將是人類可重復使用運載器發(fā)展史上的一個重要里程碑。

未來的重型“獵鷹”火箭的助推器將來自回收的第一級

太空探索技術公司總裁肖特維爾

盡管如此，太空探索技術公司通過重復使用大幅度降低發(fā)射成本的道路仍有很大的不確定性。其實這并不新鮮，航天飛機早在1981年就做到了部分重復使用，但發(fā)射成本并沒有降低，反而比一次性火箭更貴?！矮C鷹”9號火箭得益于明智的技術發(fā)展路線，倒是沒有航天飛機那樣發(fā)射價格不減反升的苦惱，但現(xiàn)在來看預期

綜上所述，太空探索技術公司的“獵鷹”9號火箭為重復使用做了大量艱苦卓絕的開創(chuàng)性工作，并在技術和工程上取得了巨大的成功，現(xiàn)在只剩下復用火箭的實際發(fā)射了?；鸺龔陀眉夹g上的成功可喜可賀，單是未來復用運作流程成熟后，是否能進一步降低成本，例如比一次性火箭降價30%甚至更多，還有待驗證。只有真正做到廉價進入太空，太空探索技術公司在“獵鷹”火箭復用上的探索才能說是修成正果?！?/p>