運載火箭空中回收技術研究

汪小衛(wèi) 鄭正路 張雨佳 吳勝寶 高朝輝

（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展部，北京 100076）

0 引言

隨著航天技術的發(fā)展，重復使用成為未來航天運輸系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一，國內外開展了大量研究工作[1-7]。實現(xiàn)運載火箭的重復使用，首先需要解決運載火箭子級回收技術?？罩谢厥帐腔鸺蛹壔厥辗绞街?，具備無損、精確、快速、機動等優(yōu)點，因此具有重要的研究價值。美國自20 世紀60年代以來已進行了數(shù)百次的空中回收技術應用試驗，近年來“火神”火箭和“電子號”火箭也針對空中回收技術進行了大量的研究和試驗[8-9]，以期通過火箭重復使用降低發(fā)射成本，但目前仍處于技術攻關階段，尚未實現(xiàn)工程應用?？罩谢厥兆鳛橐环N火箭回收方式，在廉價快速進入空間、滿足航區(qū)安全、拓展各種類型飛行器的回收、帶動新技術發(fā)展等方面具有廣泛的需求，應用前景廣闊。

1）滿足廉價、快速、可靠進入空間的需求。子級回收和重復使用是降低火箭成本的重要途徑。開展子級重復使用運載火箭研究，通過“多次使用，費用均攤”，可降低運載火箭發(fā)射成本，提升我國火箭在國際商業(yè)發(fā)射市場的競爭力。一般來說運載火箭子級回收主流方式有三大類：傘降回收、垂直返回和帶翼飛回，其中傘降回收又可分為陸地、海上和空中回收三種類型[3-4]。不同類型回收方式有各自特點（如表1 所示），其中空中回收方式繼承了傘降回收技術的高成熟度，具有對運載系統(tǒng)總體設計影響小、運載能力損失小、對發(fā)動機技術要求低等優(yōu)勢，同時其利用空中飛行平臺在空中對回收體能夠進行勾取操作，避免了降落傘回收落點精度不高的缺點，具有定點回收優(yōu)勢；空中回收技術還避免了陸地回收的地形影響和著陸沖擊，也避免了海上回收的高濕、高鹽海水的影響，重復使用性好；空中回收的技術難度主要體現(xiàn)在空中平臺對回收體+降落傘系統(tǒng)的空中掛取設計與操作上，運載火箭本身僅需做動力艙段分離和安裝降落傘回收系統(tǒng)等適當改進即可，技術難度適中。

表1 不同回收方式對比Tab.1 Comparison of different recovery methods

開展運載火箭空中安全回收和重復使用技術研究，形成我國安全可靠的運載火箭子級回收技術，能夠為大幅降低運載火箭的發(fā)射成本提供相關技術途徑。

2）滿足航天發(fā)射航區(qū)安全的需求。從地理位置來看，酒泉、西昌和太原三個發(fā)射場均處于內陸地區(qū)，隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，航區(qū)和落區(qū)安全問題變得日益突出，現(xiàn)在每次發(fā)射都要投入大量人力、物力、財力疏散航區(qū)和落區(qū)群眾，使航天發(fā)射成本增加。運載火箭發(fā)射的航區(qū)安全問題已成為我國航天發(fā)射亟需解決的問題之一。在空中回收重復使用運載火箭的發(fā)射任務中，通過飛機在空中對已完成任務的火箭子級實施回收，借助于飛機返回發(fā)射場或指定地點，這樣就直接解決了落區(qū)安全問題。

3）我國各類高空試驗飛行器及再入返回式飛行器回收需求?？罩谢厥兆鳛橐环N飛行器回收方式，其利用直升機等平臺實施空中掛取回收，相關研究成果具有廣泛的應用價值，形成的技術基礎和技術儲備，既可以推廣應用到我國現(xiàn)役（在研運載火箭、重復使用飛行器等領域，也可以廣泛應用到各類返回式衛(wèi)星、空間飛行器、高空試驗艙等），具有廣闊的應用價值。國外特別是美國，在20 世紀60年代就開展了大量空中回收任務，在無人機、巡航導彈、衛(wèi)星、航天器返回艙等高價值載荷回收任務中，空中回收技術得到廣泛應用，直到21 世紀仍在開展返回式衛(wèi)星的空中回收工作[10-16]。

4）帶動航天技術創(chuàng)新發(fā)展，促進我國國防科技建設。實現(xiàn)運載火箭的重復使用，不僅要從運載器氣動、材料結構、熱防護、重復使用發(fā)動機、制導控制、著陸返回等關鍵技術開展攻關，還要從設計理念、標準規(guī)范、評價體系、運行模式等方面進行深度轉變。開展子級重復使用運載火箭的研究，將進一步帶動相關技術和學科的整體進步，推動航天航空技術融合發(fā)展，形成新的技術增長點，可大大促進我國國防科技建設。

前期，我國開展了一定空中回收系統(tǒng)技術的研究工作[17-19]，但針對運載火箭的空中回收技術尚未開展研究。

1 國外研究情況分析

由于空中回收技術具有無損、精確、快速、機動等優(yōu)點，美國早在20 世紀60年代就已經(jīng)針對回收偵察衛(wèi)星、生物衛(wèi)星、無人駕駛飛機、巡航導彈等航天器或飛行器開展了大量空中回收任務，如今已發(fā)展成為一種獨立而完整的回收技術，其回收成功率由初期的65%提高到95%。直到21 世紀，美國仍在開展返回式航天器的空中回收工作，且首先提出了運載火箭的空中回收，并開展了試驗驗證[4-8]。

（1）各類飛行器空中回收技術的發(fā)展

美軍于1958年8月1日在夏威夷成立了一個研究團隊——6593 中隊，使用C-119 運輸機，以空中抓取的方式回收偵查衛(wèi)星。1960年8月19日，經(jīng)過改裝的C-119 運輸機成功回收代號“探索-14”的返回式衛(wèi)星，正式開啟了空中回收的歷史[8]。

隨著裝備升級以及技術的日漸成熟，6593 中隊開始執(zhí)行更加多樣化的回收任務，包括回收返回式衛(wèi)星、高空試驗艙、空射火箭和巡航導彈等等。至1972年，6593 中隊共進行數(shù)百次的空中回收任務[8-9,18]。

1998年，美國宇航局實施了新世紀樣品返回艙計劃，其空中回收系統(tǒng)是美國洛·馬公司研制，該系統(tǒng)首次引入了高滑翔比的沖壓翼傘（如圖1 所示），相關研究表明基于翼傘的空中回收系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點[8]。洛·馬和Vertigo 公司共進行了22 次翼傘空中回收，全部成功，充分表明了翼傘空中回收系統(tǒng)的可靠性。2004年，美國還利用空中回收方式開展了“起源號”太陽風粒子探測器返回艙的回收工作[13]。

從20 世紀90年代初至2004年，美國相關科研機構實施的一系列直升機空中回收任務均取得了成功。

空中回收技術所采用的回收系統(tǒng)共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，當前已發(fā)展到第三代空中回收系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)質量8000kg 左右的貨物的安全可靠回收[8,17-19]。

（2）運載火箭空中回收的發(fā)展

圖1 翼傘空中回收系統(tǒng)示意Fig.1 Demonstration of the parafoil air reecoveryl system

圖2 掛鉤開啟和關閉狀態(tài)[9]Fig.2 The hook in unlock and lock status

2007年，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）開展了“宇宙神-5”火箭動力艙段的空中回收技術研究，以降低發(fā)射成本。在2007年和2008年分別開展了第三代空中回收系統(tǒng)的應用試驗研究，圖2 所示為試驗用掛鉤樣機，試驗回收模型質量340kg，直升機最大過載1.2gn[9]。

2015年4月，ULA 對外公布“火神”火箭方案?！盎鹕瘛被鸺秊閮杉壈霕嬓?，火箭芯級直徑為5m。在“火神”火箭的發(fā)展的第三階段，將采用敏感模塊自主返回技術（SMART）實現(xiàn)火箭一子級發(fā)動機回收及重復使用[4]。

火神火箭芯級主發(fā)動機為藍源公司研制的BE-4液氧甲烷發(fā)動機，具備重復使用能力。SMART 技術回收流程如圖3 所示，在一、二級分離后，火箭一子級動力艙段將脫離一子級，并在充氣式熱防護罩的保護下再入大氣層，然后依靠降落傘減速，最后由直升機在空中回收。ULA 公司表示推進系統(tǒng)成本占整個一子級成本的65%，一子級發(fā)動機的回收利用將會使一子級推進系統(tǒng)成本降低90%。

2017年，洛·馬公司開展了利用翼傘和智能掛鉤系統(tǒng)實施火箭子級模型的直升機空中回收飛行試驗驗證，試驗地點在蘇格蘭西南Mod West Freugh 濱海地區(qū)，試驗采用兩架直升機（一架負責投放子級模型，一架負責空中回收任務）在離地高度1400m 高度投放，1100m 高度實施空中鉤取操作，試驗取得圓滿成功，驗證了直升機空中回收火箭子級的可行性。

圖3 SMART 技術回收流程Fig.3 The recovery process of SMART technology

2 運載火箭空中回收典型技術方案

運載火箭一子級空中回收典型流程如圖4 所示，運載火箭從發(fā)射場發(fā)射后，當?shù)竭_分離點時，一子級的主發(fā)動機關機，由二子級完成運送有效載荷到達預定軌道高度的任務；一子級分離后，利用反作用控制系統(tǒng)（RCS）調節(jié)一子級箭體姿態(tài)使其保持穩(wěn)定，動力艙段與子級分離；動力艙段分離后，利用RCS 調節(jié)動力艙段姿態(tài)，使其分離面指向速度方向?；厥张摱畏蛛x后，與地面建立無線鏈路通信，外彈道測量系統(tǒng)獲取分離位置和速度；遙測數(shù)據(jù)和外彈道測量數(shù)據(jù)實時傳送給回收指揮中心，回收指揮中心根據(jù)分離位置和速度、導航數(shù)據(jù)等參數(shù)快速確定預定落點區(qū)域，并迅速通知待命直升機前往。

回收艙段再入大氣層前，充氣式裝置打開并充氣，充氣完成后充氣罩展開，充氣罩帶著動力艙段保持自穩(wěn)定狀態(tài)再入飛行。在10km 左右的高度動力艙段打開降落傘系統(tǒng)實施減速；當下降到一定高度（2~4km），在落區(qū)范圍待命的直升機進行空中掛取回收。

圖4 運載火箭一子級空中回收典型流程示意Fig.4 The launch and aerial recovery of a launcher first stage

空中回收典型流程主要包括：

1）運載火箭上升飛行段：一子級點火、程序轉彎、爬升，在77km 高度，一子級工作結束，與二子級分離，二子級繼續(xù)飛行，直至入軌。

2）一子級慣性飛行段：一子級分離后，一子級無動力慣性飛行，期間利用RCS 使一子級箭體姿態(tài)保持穩(wěn)定，動力艙段與一子級分離，利用RCS 調節(jié)動力艙段姿態(tài)，使其分離面指向速度方向，充氣式裝置打開并充氣。回收艙段分離后，外彈道測量系統(tǒng)獲取分離位置和速度，并快速確定預定落點區(qū)域，并迅速通知待命直升機前往可能落區(qū)。

3）再入返回段：充氣完成后充氣罩展開，充氣罩帶著動力艙段保持自穩(wěn)定狀態(tài)再入飛行。

4）空中獲取段：當動力艙段下降到10km 左右高度時降落傘系統(tǒng)打開，降落傘將動力艙段速度減速到10m/s 以下；當高度下降到指定高度（2~4.0km），落區(qū)范圍待命的直升機進行空中掛取回收，并安全運輸至指定地點。

3 關鍵技術分析

（1）空中回收充氣展開系統(tǒng)設計技術

充氣式再入是一種在行星大氣再入過程中利用充氣形成的氣動外形，進行防熱、減速和著陸減震的再入技術。再入過程中，耐高溫的柔性編織物折疊后包裹在再入載荷外圍，并在進入大氣層前充氣，形成倒錐外形。充氣展開系統(tǒng)能夠有效保護再入載荷避免劇烈的氣動加熱，并有效地進行氣動減速，最終以安全的速度著陸。

運載火箭空中回收中應用的充氣式展開系統(tǒng)首先需要滿足質量和安裝布局等需求，其在下降過程中，起到氣動穩(wěn)定的作用，以簡化控制系統(tǒng)和推進劑消耗量，其外形設計要求能夠保證回收體整體處于氣動穩(wěn)定狀態(tài)，同時滿足最小質量和體積要求；在開展氣動外形優(yōu)化設計的同時，還須考慮下降過程中的氣動熱效應和防熱設計，進行綜合優(yōu)化；另外，其具體結構設計也是難點之一。

（2）回收體空中獲取技術

回收體空中獲取涉及到降落傘系統(tǒng)的設計和直升機空中掛取設計。

降落傘的設計需要考慮多個方面的設計影響：首先，需要滿足總體的質量指標和布局安裝等設計要求，還需滿足空中彈傘和開傘等要求；另外，開展空中回收，翼傘開傘后的橫向速度和垂直速度設計需要與直升機空中操作的安全速度相適應，需要設計相關的鉤掛子系統(tǒng)以便直升機實施空中掛取操作，要求翼傘系統(tǒng)能夠適應空中回收而進行的改進設計；此外，翼傘還需滿足一定的歸航能力，使回收艙段的落區(qū)范圍最小，保證直升機空中操作時間足夠長。

空中獲取技術涉及的難點主要有：直升機空中掛取流程設計，直升機旋翼氣流對空中掛取裝置穩(wěn)定性和掛取過程的影響，掛取過程對直升機過載影響智能空中掛取系統(tǒng)設計。其中，智能空中掛取系統(tǒng)是實現(xiàn)直升機與翼傘+回收體系統(tǒng)安全可靠掛取的關鍵，需要其具備自動觸發(fā)及防誤觸、單向鎖緊、開閉狀態(tài)自主判斷、過載保護、過載測量與信號傳輸?shù)裙δ堋?/p>

（3）回收體與子級分離技術

空中回收的回收體一般為昂貴的動力艙段部分，動力艙段與子級的分離不僅涉及到箭體外部殼體的分離，還包括推進劑管路的分離?；厥阵w與子級的分離是空中回收的關鍵步驟，要求回收體殼段與火箭子級殼段以及回收體的管路與火箭子級的管路可靠連接與分離。在分離時，由于分離界面連接復雜，且分離間隙較小，對于分離時的安全性要求較高。尤其對于液體輸送管路而言，在飛行過程中需要保證推進劑輸送順暢，同時又要保證整個回收體管路密封可靠，能夠按指令完成解鎖、分離脫落動作。由于涉及到多個分離面，分離的同步性要求較高，這對于整個分離過程提出了更高的要求。

4 結束語

本文對運載火箭空中回收技術進行了需求分析，對國外研究現(xiàn)狀進行了總結，結合典型運載火箭空中回收總體技術方案和關鍵技術分析，得到如下認識：

1）空中回收在廉價快速進入空間、滿足航區(qū)安全、拓展各種類型飛行器的回收、帶動新技術發(fā)展等方面具有廣泛的需求，具有廣闊的應用前景和價值；

2）空中回收作為運載火箭回收方式之一，避免了陸上和海上回收的相關缺點，具有無損、精確、快速、機動等優(yōu)點，其技術難度較小技術成熟度相對較高，在美國已具備了大量的實踐經(jīng)驗；

3）空中回收能夠有效應用于運載火箭昂貴的動力艙段的回收，回收方案和關鍵技術明確，可盡快開展飛行試驗驗證，實現(xiàn)工程應用。