獵鷹重型芯一級(jí)回收成為“老大難”

文/李會(huì)超

▲廠房里的獵鷹火箭

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹重型火箭于去年2月6日成功完成首次飛行試驗(yàn)后，這種“地表最強(qiáng)”火箭在今年開始執(zhí)行正式的發(fā)射任務(wù)。6月25日，一枚獵鷹重型火箭在美國(guó)肯尼迪航天中心成功發(fā)射升空，將24顆大小不一的衛(wèi)星送入太空，完成了年內(nèi)的第二次發(fā)射。但是，火箭的芯一級(jí)回收再度失敗，成為“老大難”問題。

▲衛(wèi)星進(jìn)整流罩

▲發(fā)射臺(tái)上的獵鷹重型

任務(wù)復(fù)雜挑戰(zhàn)大

本次發(fā)射是美國(guó)空軍所屬的“太空測(cè)試計(jì)劃”的一部分。這個(gè)計(jì)劃旨在為與美國(guó)國(guó)防部有關(guān)聯(lián)的空間科學(xué)與技術(shù)部門提供發(fā)射飛行的機(jī)會(huì)。本次發(fā)射的衛(wèi)星單個(gè)質(zhì)量都不是很高，而獵鷹重型火箭的運(yùn)載能力又比較強(qiáng)，為了充分利用運(yùn)載能力，24顆衛(wèi)星被一次打包發(fā)射上天。這24顆衛(wèi)星中，有的工作在距離地面較近的近地軌道，有的則工作在近地點(diǎn)6000公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)12000公里的較高軌道上。為了將衛(wèi)星一一送到各自的工作軌道上去，火箭的第二級(jí)要多次點(diǎn)火變軌。在發(fā)射開始后13分鐘，就已經(jīng)有衛(wèi)星入軌，而最后一顆衛(wèi)星入軌則要等到發(fā)射后三個(gè)半小時(shí)。其間，第二級(jí)火箭共點(diǎn)火工作四次。

這樣相對(duì)復(fù)雜的入軌操作，使得第二級(jí)必須攜帶更多燃料，重量比以往發(fā)射時(shí)更大。因此，芯一級(jí)不得不工作更長(zhǎng)時(shí)間，才能讓第二級(jí)以足夠的速度進(jìn)入適當(dāng)?shù)能壍馈?duì)于太空探索技術(shù)公司所使用的火箭回收復(fù)用技術(shù)，準(zhǔn)備回收復(fù)用的火箭芯一級(jí)和助推器必須預(yù)備額外的燃料，以供其在返回過程中利用發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整軌道、減速并最終平穩(wěn)地懸停降落在回收平臺(tái)。然而，由于芯一級(jí)在本次發(fā)射過程中消耗的燃料太多，給返回預(yù)留的燃料有限，它不得不以較高的速度返回地面。

在獵鷹重型火箭已經(jīng)進(jìn)行的發(fā)射中，太空探索技術(shù)公司已經(jīng)可以相當(dāng)純熟地利用陸地回收平臺(tái)同時(shí)回收兩個(gè)助推器，但芯一級(jí)的回收一直是一個(gè)老大難問題。在獵鷹重型火箭首飛時(shí)，火箭第一級(jí)墜落在了海上回收平臺(tái)——“我當(dāng)然還愛你”旁邊，對(duì)平臺(tái)造成了一定損壞。在今年4月發(fā)射Arabsat-6A 通信衛(wèi)星的第二次飛行中，芯一級(jí)雖然成功的在回收平臺(tái)上軟著陸，但在當(dāng)時(shí)惡劣的海況下，回收平臺(tái)上用于支撐固定火箭芯一級(jí)的幾個(gè)大型液壓臂沒有能抵御住驚濤駭浪的侵襲，在平臺(tái)還未被拖帶回港口時(shí)，芯一級(jí)就在平臺(tái)上傾覆報(bào)廢。

▲噴射火焰

由于剩余燃料量的限制，本次發(fā)射過程中，芯一級(jí)無(wú)法著陸在相對(duì)靠近海岸的位置，因此海上回收平臺(tái)被部署在了距離海岸1240公里的位置，比之前歷次發(fā)射都要遠(yuǎn)。同樣是由于燃料的限制，本次芯一級(jí)在再入大氣層過程中的速度可能比前兩次獵鷹重型火箭的發(fā)射都要大，增加了回收的困難。太空探索技術(shù)公司在發(fā)射前就已經(jīng)意識(shí)到了回收的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并給出了僅僅50%的成功概率。

在當(dāng)天的發(fā)射中，芯一級(jí)火箭在正常完成推進(jìn)工作并與第二級(jí)分離后，開始了返回回收平臺(tái)的飛行。首先，三臺(tái)梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)讓芯一級(jí)正常進(jìn)入了返回彈道。然而在隨后與大氣層的劇烈摩擦中，一臺(tái)梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)很可能遭遇了損壞。而這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，恰恰是安裝在芯一級(jí)底部中心的一臺(tái)，而其他八臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)繞它呈環(huán)形布置。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于最后的軟著陸至關(guān)重要，它的損壞給回收造成了很大麻煩。從地面上的攝像機(jī)拍攝的畫面看，返回中的火箭芯一級(jí)剛出現(xiàn)在視野中時(shí)，就已經(jīng)是傾斜的狀態(tài)。而艾隆·馬斯克表示，當(dāng)時(shí)芯一級(jí)上的控制系統(tǒng)很可能已經(jīng)判定回收成功無(wú)望，因此主動(dòng)控制自己遠(yuǎn)離了海上回收平臺(tái)，以免在墜落過程中將平臺(tái)損壞。最終，這枚芯一級(jí)墜毀在了距離“我當(dāng)然還愛你”數(shù)百米的海洋中。

24顆衛(wèi)星功能各異

早在2012年，太空探索技術(shù)公司就已經(jīng)中標(biāo)了本次發(fā)射。據(jù)國(guó)外網(wǎng)站報(bào)道，本次發(fā)射的合同價(jià)格為1.65億美元，最初設(shè)定的發(fā)射時(shí)間為2015年中期。然而，由于獵鷹重型火箭研發(fā)進(jìn)度的一再拖延，發(fā)射足足被延遲了4年。

在本次發(fā)射的24顆衛(wèi)星中，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室空間飛行器部的“驗(yàn)證和科學(xué)試驗(yàn)”（DSX）衛(wèi)星，主要對(duì)GPS等衛(wèi)星所在的中地球軌道（MEO）上的空間環(huán)境及其對(duì)衛(wèi)星的可能效應(yīng)開展研究。其中，“波粒相互作用實(shí)驗(yàn)”儀器主要探測(cè)研究中頻率波與粒子間的相互租用。而“空間天氣實(shí)驗(yàn)”儀器則要探測(cè)高能質(zhì)子、電子和能量相對(duì)較低的等離子體的物理參數(shù)與空間分布。這些物質(zhì)會(huì)對(duì)衛(wèi)星的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。它們或通過單粒子效應(yīng)，像子彈一樣直接打擊衛(wèi)星中的各種儀器；或通過表面充放電效應(yīng)，產(chǎn)生意外的電擊阻礙衛(wèi)星正常工作。而“空間天氣效應(yīng)”儀器，則重點(diǎn)關(guān)注這些效應(yīng)在衛(wèi)星上發(fā)生的過程和程度。這兩個(gè)儀器的共同探測(cè)結(jié)果，將有助于航天工程師們針對(duì)潛在的空間天氣效應(yīng)，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段采取更有效的防護(hù)措施，在衛(wèi)星在軌運(yùn)行階段采取更有效的調(diào)度措施。此外，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的NPSAT衛(wèi)星同樣聚焦空間天氣效應(yīng)，這顆衛(wèi)星的主要工作是監(jiān)測(cè)電離層中可能對(duì)無(wú)線電通信產(chǎn)生影響的電子密度閃爍現(xiàn)象。

在航天飛行中，衛(wèi)星也要使用燃料和推進(jìn)劑，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)維持自身的軌道和姿態(tài)。然而，與不少火箭已經(jīng)使用無(wú)毒無(wú)害的綠色燃料不同的是，許多衛(wèi)星仍在使用偏二甲肼等聯(lián)氨類燃料。通過本次發(fā)射升空的“綠色推進(jìn)劑注入”（GPIM）任務(wù)，美國(guó)宇航局將測(cè)試一種無(wú)毒無(wú)害的非聯(lián)氨推進(jìn)劑的實(shí)際效能。GPIM在軌工作期間，研究人員將進(jìn)行衛(wèi)星的軌道機(jī)動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證推進(jìn)劑在姿態(tài)控制轉(zhuǎn)換、軌道傾角變化和軌道下降過程中的性能。一旦推進(jìn)劑的實(shí)際效能和預(yù)期的一致，這種推進(jìn)劑有望在今后簡(jiǎn)化航天器的發(fā)射前準(zhǔn)備過程，為航天器提供更長(zhǎng)的在軌工作時(shí)間和更大的有效載荷質(zhì)量比，從而提升航天器的性能。

▲發(fā)射軌跡和回收軌跡同框

▲獵鷹重型發(fā)射

▲陸地回收

美國(guó)宇航局的另一顆衛(wèi)星“軌道測(cè)試臺(tái)”（OTB）則將對(duì)一種新型的原子鐘進(jìn)行為期一年的在軌測(cè)試。原子鐘是一種精度極高的計(jì)時(shí)儀器，目前應(yīng)用廣泛的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，其衛(wèi)星上的時(shí)頻信號(hào)源就是原子鐘。OTB測(cè)試的新型原子鐘的誤差水平可達(dá)到10年1微秒的水平。除了能為未來的深空探測(cè)提供相當(dāng)精確穩(wěn)定的時(shí)間和頻率信號(hào)外，這種原子鐘也將有望應(yīng)用到未來的GPS衛(wèi)星上，使無(wú)線電信號(hào)體系更加靈活，釋放為導(dǎo)航信號(hào)預(yù)留的寶貴通信帶寬。

除了這些任務(wù)外，24顆衛(wèi)星中還包含對(duì)大氣和電離層開展探測(cè)的COSMIC-2衛(wèi)星，由大學(xué)在校學(xué)生設(shè)計(jì)的OCULUS衛(wèi)星和PROX-1，以及幾顆立方星。

本次發(fā)射也是獵鷹重型火箭參與美國(guó)“國(guó)家安全空間發(fā)射”計(jì)劃的驗(yàn)證飛行，只有通過多次驗(yàn)證飛行證實(shí)火箭的技術(shù)水平后，獵鷹重型火箭才有可能通過該計(jì)劃發(fā)射美國(guó)國(guó)防與安全部門價(jià)值較高的敏感衛(wèi)星。同時(shí)，美國(guó)國(guó)防部門也系統(tǒng)通過獵鷹重型火箭的飛行，積累使用可重復(fù)使用火箭實(shí)施發(fā)射任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，為未來制定針對(duì)可重復(fù)使用火箭的政策和程序探路。