對(duì)運(yùn)載火箭回收技術(shù)的思考與分析

陳章瑞

摘 要 將運(yùn)載火箭回收技術(shù)分為氣動(dòng)減速和反推減速兩大類(lèi)，介紹了降落傘回收、有翼飛行器著陸回收、燃料反推垂直著陸回收等回收技術(shù)，并分析了各種回收技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其中特別對(duì)使用效果良好的垂直著陸回收技術(shù)進(jìn)行彈道和著陸姿態(tài)分析，并提出技術(shù)改進(jìn)建議以及對(duì)中國(guó)運(yùn)載火箭使用垂直著陸回收技術(shù)的建議，以期給垂直著陸回收技術(shù)的發(fā)展提供方向。

關(guān)鍵詞 運(yùn)載火箭；回收技術(shù)；垂直著陸；可重復(fù)使用

中圖分類(lèi)號(hào) V1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）231-0140-03

自1957年蘇聯(lián)使用改裝后的P-7洲際導(dǎo)彈發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來(lái)，運(yùn)載火箭已經(jīng)成為人類(lèi)探索宇宙的主要工具。運(yùn)載火箭技術(shù)要求高，但迄今為止幾乎所有的運(yùn)載火箭均只能使用一次，這導(dǎo)致其價(jià)格極為高昂。以歐洲的阿麗亞-5號(hào)運(yùn)載火箭為例，其近地軌道發(fā)射成本達(dá)每千克10？000美元。因此，人類(lèi)要想大規(guī)模地開(kāi)展空間探索，就需要盡可能地降低發(fā)射費(fèi)用。要達(dá)到這一目標(biāo)，有兩個(gè)途徑：一是降低制造技術(shù)的成本，這需要突破性的技術(shù)發(fā)展，在短時(shí)間內(nèi)顯然難以實(shí)現(xiàn)；二則是對(duì)航天器的重復(fù)利用以降低發(fā)射成本。最早的能重復(fù)利用的航天器——航天飛機(jī)，雖然實(shí)現(xiàn)了軌道器和助推器的重復(fù)利用，但是維修成本高昂，事故率高，最終在2011年退役；此后英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)相繼提出過(guò)空天飛機(jī)或兩級(jí)入軌的方案，均沒(méi)有投入實(shí)際運(yùn)用。但在2015年，美國(guó)SpaceX公司成功對(duì)其火箭“獵鷹9號(hào)”的一級(jí)進(jìn)行了回收，由此，人們將火箭回收的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向?qū)蝹€(gè)子級(jí)的回收。這種回收方式基于當(dāng)下成熟的火箭技術(shù)開(kāi)發(fā)，因而較空天飛機(jī)等構(gòu)想更為可靠與實(shí)用。此外，傘降回收也是比較常用的部件回收方法。

本文通過(guò)對(duì)運(yùn)載火箭回收技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)分析，梳理了不同的回收方式，分析了現(xiàn)階段可行的運(yùn)載火箭回收技術(shù)發(fā)展方向，希望給火箭回收技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 運(yùn)載火箭回收技術(shù)分類(lèi)

運(yùn)載火箭回收的最大難點(diǎn)就在于要讓箭體在不過(guò)多影響全箭飛行參數(shù)的情況下，從與上面級(jí)分離位置起，經(jīng)過(guò)一系列的操作進(jìn)行減速、調(diào)姿，最后穩(wěn)定地著陸在指定位置。要使箭體返回地面，需要通過(guò)降低飛行速度改變彈道。著陸時(shí)應(yīng)保證速度足夠小，落點(diǎn)足夠準(zhǔn)確。顯然，要想降低飛行速度，方法有兩種：一種是通過(guò)利用空氣阻力或升力減速，即氣動(dòng)減速；另外一種是通過(guò)燃燒燃料減速，即反推減速。在載人航天工程返回艙著陸時(shí)，一般采用兩種模式結(jié)合的方法，運(yùn)載火箭回收技術(shù)也可以借鑒。

1.1 氣動(dòng)減速回收運(yùn)載火箭

氣動(dòng)回收主要有降落傘回收、有翼飛行器滑行著陸兩種方式，下面均以現(xiàn)有航天器部件為例進(jìn)行說(shuō)明。

降落傘回收方式主要用于對(duì)返回精度要求不高且著陸場(chǎng)較大的工況。以航天飛機(jī)助推器（SRB）為例[1]，試驗(yàn)開(kāi)始后，SRB在122s與主箭體分離，在197s達(dá)到飛行最大高度67km，此后經(jīng)自由飛行、開(kāi)減速傘、開(kāi)主傘等一系列流程，最終濺落在距離發(fā)射場(chǎng)220km的海面上，并由專(zhuān)門(mén)的打撈船進(jìn)行回收。SRB的濺落速度約為23m/s，高于航天器穩(wěn)定著陸的速度（載人航天器6-10m/s，無(wú)人航天器10-14m/s），會(huì)對(duì)運(yùn)載火箭本身造成結(jié)構(gòu)損傷。因此，要想提高運(yùn)載火箭重復(fù)利用的次數(shù)，應(yīng)該將火箭濺落或著陸速度降得更低。著陸速度受結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降落傘面積決定，SRB的降落傘主傘共有3個(gè)，每個(gè)直徑45m，質(zhì)量已超一噸，顯然降落傘難以繼續(xù)增大。因此，要想利用降落傘回收重型火箭的第一級(jí)或助推器，存在技術(shù)難度。

有翼飛行器滑行著陸主要適用于航天飛機(jī)的軌道器、空天飛機(jī)等飛行器。俄羅斯赫魯尼切夫空間中心設(shè)計(jì)的“貝加爾”助推器采用可旋轉(zhuǎn)翼面，使翼面在助推器分離后展開(kāi)，并運(yùn)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)著陸。相比于航天飛機(jī)，在運(yùn)載火箭助推器上安裝翼面會(huì)導(dǎo)致其運(yùn)載能力損失極為嚴(yán)重，為了控制最終落點(diǎn)而安裝航空發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而使用價(jià)值很低。此外，美國(guó)Rotary公司的Roton飛船采用由直升機(jī)改裝而來(lái)的旋翼推進(jìn)器著陸，最終也沒(méi)有投入使用[2]。

由此可見(jiàn)，氣動(dòng)減速回收技術(shù)雖然技術(shù)難度小，種類(lèi)多，應(yīng)用也較為廣泛，但是受到其本身技術(shù)原理的限制，減速效果不能滿(mǎn)足陸地或海上平臺(tái)回收的速度要求，無(wú)控制著陸落點(diǎn)精確度低，因而不能作為未來(lái)大規(guī)模探索宇宙時(shí)化學(xué)燃料火箭回收的主要方式。

1.2 反推減速回收運(yùn)載火箭

反推減速主要是在火箭一二級(jí)分離后，一級(jí)通過(guò)燃燒剩余的燃料調(diào)整姿態(tài)和軌道，并控制箭體著陸在指定位置的過(guò)程。一般的運(yùn)載火箭都采用垂直著陸的方式，以減少著陸時(shí)對(duì)火箭氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的磨損。反推減速目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并且已經(jīng)多次成功。以美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）為首的多家公司已經(jīng)完成了可回收火箭的測(cè)試甚至已經(jīng)投入使用。反推減速需要讓火箭通過(guò)自身推進(jìn)系統(tǒng)改變飛行方向，回到發(fā)射場(chǎng)附近，對(duì)火箭推進(jìn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提出了較高的要求。

2 垂直著陸回收運(yùn)載火箭技術(shù)的簡(jiǎn)單分析

2.1 飛行彈道分析

垂直著陸回收運(yùn)載火箭時(shí)，根據(jù)點(diǎn)火方向和姿態(tài)調(diào)整方向的不同，彈道主要分為兩種：第一種是調(diào)整箭體使其彈道傾角增大，從更高的高度返回地面；第二種是調(diào)整箭體使其向下運(yùn)動(dòng)，從發(fā)射軌跡下方返回地面。如果對(duì)運(yùn)載火箭的飛行過(guò)程作出以下簡(jiǎn)化：

1）忽略地球曲率；

2）把箭體的飛行過(guò)程簡(jiǎn)化成在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即高度-位移二維。

則對(duì)于飛行過(guò)程中的任意一點(diǎn)，以發(fā)射場(chǎng)所在位置為原點(diǎn)，建立高度-水平位移坐標(biāo)系分析箭體運(yùn)動(dòng)，其受力分析如圖1所示。

2.2 著陸狀態(tài)分析

箭體著陸末段，需要通過(guò)反推減小著陸瞬間速度，同時(shí)利用支架緩沖，防止發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生磨損[4]。如果參考SpaceX火箭的著陸支架，對(duì)著陸瞬間箭體狀態(tài)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1）認(rèn)為箭體在具有穩(wěn)定傾角的平臺(tái)上著陸；

2）把箭體的飛行過(guò)程簡(jiǎn)化成在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即高度-水平位移二維；

3）將箭體的4個(gè)著陸支架視為二維平面內(nèi)等效的兩個(gè)二維支架。

則對(duì)箭體進(jìn)行受力分析，并標(biāo)注箭體尺寸，如圖3所示。其中，a為箭體半徑，b為著陸支架足墊到箭體中心線(xiàn)的距離，H為箭體重心到著陸支架足墊的垂直距離，α為著陸平面與水平面的夾角，θ為箭體徑向與水平面方向的夾角。N1、N2分別為兩個(gè)等效著陸支架受到的支持力；f1、f2分別為兩個(gè)等效著陸支架受到的摩擦力。

3 對(duì)垂直回收運(yùn)載火箭技術(shù)的展望

垂直回收技術(shù)因其基于現(xiàn)有化學(xué)推進(jìn)火箭技術(shù)發(fā)展而來(lái)，與現(xiàn)有火箭技術(shù)適配度較好，因而適用于大多數(shù)現(xiàn)有火箭。由分析可知[5]，對(duì)于低軌道發(fā)射任務(wù)，箭體回收時(shí)過(guò)載較?。s為4-5倍重力加速度），對(duì)于箭體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較小，適用度較高；而對(duì)于高軌道任務(wù)，箭體回收時(shí)過(guò)載較大，技術(shù)難度較高，可能對(duì)箭體產(chǎn)生一定程度的磨損。而鑒于目前大多數(shù)發(fā)射任務(wù)目標(biāo)軌道均較低，火箭回收技術(shù)應(yīng)在數(shù)年之內(nèi)得到廣泛普及。針對(duì)現(xiàn)有垂直回收火箭技術(shù)，可提出的建議如下：

1）對(duì)于彈道調(diào)整的思考：由2.1節(jié)分析可知，可將運(yùn)載火箭部件著陸回收?qǐng)雠c發(fā)射場(chǎng)分開(kāi)，在箭體分離后自由飛行的落點(diǎn)附近進(jìn)行回收。這樣，火箭剩余燃料僅用于調(diào)節(jié)火箭姿態(tài)和小幅度的減速，不用使全箭速度反向，可以使相同的一級(jí)火箭用于推進(jìn)的燃料更多，推進(jìn)效率有所提高。

2）對(duì)于著陸瞬間姿態(tài)調(diào)整的思考：在著陸瞬間，箭體將會(huì)受到強(qiáng)大的沖擊力。如果箭體不是以90°角度恰好垂直著陸，在橫向上還會(huì)有受力，因此對(duì)箭體的橫向結(jié)構(gòu)提出了一定要求。由于箭體本身具有抗風(fēng)、抗壓能力，因而可以承受小范圍角度著陸時(shí)的橫向力；但如果著陸角度過(guò)大，箭體結(jié)構(gòu)會(huì)受損，同時(shí)受箭體幾何外形所限，甚至可能發(fā)生側(cè)翻。因此，對(duì)箭體的著陸角度和速度控制有較高要求。對(duì)于箭體著陸速度控制，可在著陸前的短時(shí)間內(nèi)，由測(cè)距裝置測(cè)量到目標(biāo)著陸點(diǎn)的距離和到地面的垂直距離，由此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)節(jié)流；對(duì)于著陸姿態(tài)控制，可由前述測(cè)量裝置輸入的數(shù)據(jù)計(jì)算彈道，并將調(diào)姿指令傳遞給氣動(dòng)舵面（如柵格翼），以調(diào)整著陸角度，可通過(guò)如圖4所示的操作方法進(jìn)行控制。

3）基于中國(guó)現(xiàn)有運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征”系列進(jìn)行發(fā)展。從酒泉、太原和西昌發(fā)射的火箭，部件落點(diǎn)多位于中部山區(qū)，可能進(jìn)入居民區(qū)。因此，在一級(jí)分離后，箭體可利用預(yù)留的少部分燃料返回著陸場(chǎng)。西昌衛(wèi)星發(fā)射中心一級(jí)落區(qū)主要在貴州省內(nèi)，山勢(shì)復(fù)雜，不利于垂直回收；酒泉、太原兩發(fā)射場(chǎng)附近地勢(shì)較為平緩，更適于垂直回收。文昌衛(wèi)星發(fā)射中心臨海，海上平臺(tái)可用于回收一級(jí)火箭。對(duì)于長(zhǎng)征7號(hào)或長(zhǎng)征5號(hào)等重型運(yùn)載火箭，也可運(yùn)用1）中的自由飛行微調(diào)著陸的方法，在落點(diǎn)區(qū)（黃巖島附近）設(shè)置回收著陸平臺(tái)，回收助推器和一級(jí)火箭。長(zhǎng)征五號(hào)火箭執(zhí)行GTO軌道時(shí)一級(jí)落點(diǎn)在第一島鏈以外，海面更適于著陸。

參考文獻(xiàn)

[1]錢(qián)學(xué)森.星際航行概論[M].北京：科學(xué)出版社，1963：264-266.

[2]王辰，王小軍，張宏劍，等.可重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展研究[J].飛航導(dǎo)彈，2018（9）.

[3]高朝輝，張普卓，劉宇，等.垂直返回重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)分析[J].宇航學(xué)報(bào)，2016，37（2）：145-152.

[4]王海洋.重復(fù)使用運(yùn)載火箭著陸機(jī)構(gòu)及著陸動(dòng)力學(xué)仿真研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2018.

[5]胡冬生，張雪梅，劉丙利，等.重復(fù)使用火箭垂直回收任務(wù)彈道分析[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2018（5）：21-26.