火箭這么貴，回收行不行？

向鋒范

火箭對(duì)現(xiàn)代人來說并不陌生，并且它的存在也與我們的生活息息相關(guān)：通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等通通需要火箭將它們送上天;進(jìn)行太空探索任務(wù)的航天飛船也離不開火箭;有些火箭還承擔(dān)著保衛(wèi)國(guó)家領(lǐng)空的作用。

火箭作用這么大，我們已經(jīng)完全離不開了，但是箭身、發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)部的精細(xì)裝置等導(dǎo)致火箭的造價(jià)高達(dá)數(shù)億元，而每次使用后火箭要么爆炸解體要么墜地身亡，天價(jià)制造費(fèi)都打了水漂。那么火箭能不能回收利用呢？

方案一：裝上降落傘

飛機(jī)起飛前，空乘們一定會(huì)做這樣一件事：告訴乘客降落傘的收納位置和使用方式，因?yàn)檫@是飛機(jī)即將墜毀時(shí)乘客們唯一的保命神器。降落傘能極快地減小降落速度，從而減小墜落到地面時(shí)的動(dòng)能，讓人們不會(huì)摔死。那么，給高速墜落的火箭裝上一頂巨大降落傘，火箭會(huì)不會(huì)也能平穩(wěn)降落，而不是墜毀呢？

其實(shí)，給降落的龐然大物裝上降落傘并不新鮮，早在20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)就曾經(jīng)用降落傘降落的方式成功回收了小型氣象火箭MR-1。還有我國(guó)的神舟系列載人航天飛船的返回艙，在距地面10千米左右時(shí)，就會(huì)打開多個(gè)足球場(chǎng)大小的降落傘，使返回艙的速度緩緩減小，實(shí)現(xiàn)軟著陸。因此，給火箭裝降落傘是回收火箭的首選方案。

不過，讓火箭自己“打開降落傘”目前還是有點(diǎn)勉強(qiáng)，第一個(gè)難點(diǎn)是火箭太大了。與發(fā)射大型飛船的運(yùn)載火箭相比，前蘇聯(lián)成功回收的MR-1就是一個(gè)“小矮人”，比如美國(guó)SpaceX公司研制的獵鷹9號(hào)火箭，僅僅是第一級(jí)箭身，高度就超過40米，不包含燃料的空殼火箭的重量都超過20噸。目前最成功的超音速降落傘最大也只能承載3噸左右的載荷，對(duì)于獵鷹9號(hào)這樣的大塊頭，降落傘根本拉不住，速度降不下來。

第二個(gè)難點(diǎn)是降落地點(diǎn)很難控制，畢竟火箭上根本沒有人，什么時(shí)候打開降落傘，火箭最終降落在什么位置都是未知數(shù)。以液氧和液氫等液體燃料作為能源的液體火箭目前仍然是各國(guó)使用最多的火箭。液體火箭的箭身內(nèi)部工藝很復(fù)雜，這種火箭如果降落在了海上，進(jìn)水后就報(bào)廢了，即使回收了，修理費(fèi)用也非常高昂。

出于以上種種考慮，美國(guó)太空發(fā)射聯(lián)盟公司提出了一個(gè)叫做“聰明回收”的回收火箭方案：第一級(jí)火箭燃料燒完后，將箭身與發(fā)動(dòng)機(jī)分離。發(fā)動(dòng)機(jī)開啟減速裝置，減至亞音速后再打開降落傘，飛行員駕駛一輛直升機(jī)在空中掛住降落傘，防止發(fā)動(dòng)機(jī)掉入海中。這樣，就可以在空中成功回收較輕而且造價(jià)也較高的發(fā)動(dòng)機(jī)了。

2020年3月，中國(guó)率先用上了與“聰明回收”類似的方法。中國(guó)用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射第54顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，之后用傘降技術(shù)成功回收了火箭助推器。火箭的助推器上安裝了多個(gè)降落傘，在墜落過程中，研制人員需要找到一個(gè)準(zhǔn)確的開傘時(shí)機(jī)，讓降落傘最高效地發(fā)揮作用。為了準(zhǔn)確地抓住這個(gè)時(shí)機(jī)，研制人員在助推器上安裝了一套測(cè)量裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到助推器的位置和姿態(tài)。開傘后，助推器的降落速度和降落范圍都大大縮小了，研制人員在殘骸墜落后能迅速找到落點(diǎn)位置，并回收助推器和剩余燃料。

方案二：反向“開”回來

你有沒有玩過回力鏢？它是一個(gè)“V”形的木棒，最初是澳大利亞原住民的狩獵工具，現(xiàn)在成為了孩子們的玩具。如果你能順著風(fēng)向，用適當(dāng)?shù)牧Φ篮徒嵌葤伋?，回力鏢在飛到盡頭后會(huì)掉個(gè)頭原路飛回來，而不是在重力的作用下豎直下落。這是因?yàn)榛亓︾S“V”字的兩端受到的空氣摩擦力不平衡，在抵消掉重力的影響后，多出來的摩擦力就會(huì)迫使回力鏢掉頭了。我們回收火箭不也想要這樣的結(jié)果嗎？火箭不會(huì)在重力的影響下墜毀，而是平穩(wěn)地落地，回力鏢的原理能不能用到火箭上呢？

火箭打開降落傘

俄羅斯的帶翼火箭

2018年，美國(guó)SpaceX公司成功用相似的方法回收了“大塊頭”獵鷹9號(hào)火箭。當(dāng)火箭的第一級(jí)將目標(biāo)送達(dá)預(yù)先設(shè)定的高度時(shí)，燃料用盡，第一級(jí)與火箭其他部件分離，此時(shí)第一級(jí)在慣性作用下繼續(xù)前進(jìn)一小段距離后就該豎直下落，然后在大氣層中燒毀或墜毀在地表，但獵鷹是個(gè)例外。

在高空中向上發(fā)射時(shí)，獵鷹原本是頭朝上、腳朝下的狀態(tài)，墜落時(shí)方向掉轉(zhuǎn)，獵鷹將或傾斜或豎直地頭朝下栽倒。科研團(tuán)隊(duì)在箭體上安裝了一個(gè)高壓氮?dú)鈬娚溲b置，在氮?dú)獾耐屏ψ饔孟?，獵鷹在空中完成了一次華麗的掉頭，原本應(yīng)朝向地面的頭部轉(zhuǎn)而朝上，變成了沿著回收軌跡頭上腳下的姿態(tài)。

掉頭只是開始，其實(shí)科學(xué)家們真正的目的是給火箭一個(gè)向上的升力，從而平衡火箭受到的向下的重力，讓火箭在墜落時(shí)能慢下來。為了達(dá)到這個(gè)目的，在完成轉(zhuǎn)身動(dòng)作后，科學(xué)家將再次點(diǎn)燃火箭，這樣飛速墜落的火箭就獲得了一個(gè)上升的動(dòng)力，下降的速度將快速減小。

在獵鷹第一級(jí)火箭的整個(gè)下落過程中，它將三次點(diǎn)火，火焰每次燃燒時(shí)間只有半分鐘左右，這是因?yàn)橄聣嫊r(shí)尾部將遭遇迎面而來的超音速氣流，這些氣流可以撲滅火焰或者將火焰吹向火箭前端，讓火箭“引火燒身”。因此，少量多次地點(diǎn)火，并在有限的時(shí)間里運(yùn)用升力減速和調(diào)整方向也是這種回收技術(shù)的重難點(diǎn)。

但是，還有一個(gè)問題，火箭在剛開始下落時(shí)幾乎是“平躺著”，而在下落的過程中則會(huì)受到方向、強(qiáng)度各不相同的空氣阻力的影響，最終可能傾斜著砸到地面上，火箭箭身會(huì)損壞，甚至可能會(huì)發(fā)生爆炸。因此，需要“扶正”火箭，讓它能盡可能豎直地落到地面上，這時(shí)候，柵格舵就發(fā)揮了作用。

柵格舵顧名思義，就是一片由許多個(gè)柵格組成的“船舵”，它平時(shí)平貼在火箭的中后部，需要時(shí)會(huì)展開并與箭身垂直，火箭上通常會(huì)配置四片柵格舵。小鳥飛行時(shí)，風(fēng)在翅膀上的不同位置施加的推力是不同的，推力的差別可以控制小鳥的行進(jìn)方向。柵格舵正是模仿了小鳥的翅膀，通過改變舵面大小、柵格數(shù)量和厚度等改變風(fēng)力作用在舵面上所產(chǎn)生的不同大小和方向的推力，從而調(diào)整箭身的前進(jìn)方向、降落位置和落地姿勢(shì)。

除了獵鷹火箭，美國(guó)藍(lán)色起源公司的新謝潑德火箭也采用了這個(gè)方法進(jìn)行回收。因?yàn)檫@款火箭飛行高度低，比獵鷹火箭更加“矮小”的緣故，它早在2016年就成功實(shí)現(xiàn)了回收，并且多次重復(fù)使用，在2019年底實(shí)現(xiàn)了第四次發(fā)射和回收。因此可以說，“掉頭飛回”的火箭回收方法已經(jīng)越來越成熟了。

此外，俄羅斯的帶翼火箭回收技術(shù)也在研發(fā)中。他們?cè)O(shè)計(jì)了帶展開翼的助推器，長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)翼可以收起和展開，展開翼的功能與柵格舵類似，同樣可以調(diào)節(jié)受力和前進(jìn)方向，同時(shí)也起到提供升力的作用。如果這個(gè)設(shè)想能實(shí)現(xiàn)的話，未來火箭也許會(huì)像飛機(jī)一樣“飛”回來。

火箭回收是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，它同樣代表著各國(guó)航天水平的高低，希望我國(guó)也能早日實(shí)現(xiàn)火箭回收復(fù)用。