運(yùn)載火箭助推器回收技術(shù)分析與啟示

陳志會(huì)， 寧 雷， 王 鵬

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

0 引言

實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭助推器的可重復(fù)使用，將極大降低發(fā)射成本，提升進(jìn)出空間的能力，因此一直是航天領(lǐng)域重要的技術(shù)發(fā)展方向。20世紀(jì)50年代，馮·布勞恩和錢學(xué)森提出了重復(fù)使用進(jìn)行天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)想，此后美國(guó)持續(xù)開展了可重復(fù)使用航天器的技術(shù)研發(fā)活動(dòng)。從20世紀(jì)60年代的航天飛機(jī)，到近些年的X-37B和美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的獵鷹火箭，相繼成功實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載器的可重復(fù)使用。俄羅斯與歐洲國(guó)家也在不斷嘗試各種可重復(fù)使用航天器的研究，比較知名的包括桑格爾兩級(jí)入軌航天器和云霄塔單級(jí)入軌空天飛機(jī)等。就當(dāng)前技術(shù)水平而言，可重復(fù)使用空天飛機(jī)方案在短期內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)，而可回收并重復(fù)使用的運(yùn)載火箭方案成熟度較高，運(yùn)載火箭助推器回收，將是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭可重復(fù)使用的重要途徑。

本文以運(yùn)載火箭可重復(fù)使用技術(shù)為背景，充分調(diào)研美國(guó)、俄羅斯、歐洲在運(yùn)載火箭助推器回收技術(shù)領(lǐng)域開展的典型項(xiàng)目背景和方案特點(diǎn)等，結(jié)合我國(guó)相關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，得到一些思考與啟示，為我國(guó)發(fā)展可重復(fù)使用運(yùn)載火箭提供參考。

1 運(yùn)載火箭助推器回收的意義

20世紀(jì)航天事業(yè)發(fā)展初期，人類的空間活動(dòng)相對(duì)較少，航天發(fā)射活動(dòng)主要使用一次性運(yùn)載火箭，重復(fù)使用的意義沒(méi)有得到廣泛關(guān)注。隨著空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類開發(fā)和利用太空的活動(dòng)日益頻繁，占領(lǐng)并利用太空在民用與軍事領(lǐng)域的價(jià)值極大凸顯，使得可重復(fù)使用運(yùn)載火箭受到廣泛關(guān)注。因此，對(duì)于運(yùn)載火箭助推器實(shí)現(xiàn)回收，其技術(shù)意義主要體現(xiàn)在以下方面：

1)降低航天發(fā)射進(jìn)入空間的成本。當(dāng)前繁榮的國(guó)際航天發(fā)射市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的同時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，降低發(fā)射成本成為凸顯競(jìng)爭(zhēng)力的核心。按目前的能力，發(fā)送1 kg有效載荷進(jìn)入空間需投入的費(fèi)用為10 000～20 000美元。高成本同時(shí)也限制了進(jìn)入空間頻率和次數(shù)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭助推器回收與可重復(fù)使用，可直接降低發(fā)射成本。以獵鷹9運(yùn)載火箭為例，據(jù)分析，在采用不返回發(fā)射點(diǎn)的海上回收方式條件下，與不回收相比，火箭運(yùn)載能力損失30%，綜合考慮重復(fù)使用運(yùn)載火箭成本、測(cè)試發(fā)射費(fèi)用、回收維護(hù)費(fèi)用和利潤(rùn)等，通過(guò)計(jì)算，如果實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用一子級(jí)助推器，可降低火箭成本30%,重復(fù)使用10次以上可降低火箭成本80%。

2)實(shí)現(xiàn)航天發(fā)射子級(jí)殘骸落點(diǎn)精確可控。當(dāng)前，我國(guó)的主要航天發(fā)射場(chǎng)集中在內(nèi)陸地區(qū)，實(shí)施運(yùn)載火箭發(fā)射，子級(jí)殘骸大部分落入我國(guó)國(guó)土上。由于一次性運(yùn)載火箭子級(jí)助推器殘骸無(wú)控下落，落點(diǎn)散布范圍大，對(duì)落入地區(qū)人員安全和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成一定威脅。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人口密度的增長(zhǎng)，子級(jí)殘骸落點(diǎn)區(qū)域的選擇愈加困難。實(shí)施運(yùn)載火箭助推器可控下落和回收，將能夠選擇和精準(zhǔn)控制助推器落入?yún)^(qū)域，規(guī)避子級(jí)殘骸落點(diǎn)選擇的難題，極大降低對(duì)地面人員與財(cái)產(chǎn)的威脅。

3)為未來(lái)人類發(fā)展星際往返活動(dòng)提供技術(shù)基礎(chǔ)。尋找宜居星球和實(shí)現(xiàn)星際自由往返，是人類持續(xù)不懈追求的目標(biāo)。運(yùn)載火箭作為未來(lái)登陸其他星球與往返星際的主要交通工具，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭助推器回收，突破助推器自主著陸技術(shù)和可重復(fù)使用，將為運(yùn)載器在其他星球自主著陸與返回夯實(shí)基礎(chǔ)。SpaceX公司的獵鷹火箭實(shí)現(xiàn)助推器回收與重復(fù)使用，其主要目的之一就是為埃隆·馬斯克未來(lái)實(shí)施登陸火星的設(shè)想鋪平道路。

2 運(yùn)載火箭助推器回收方式

基于傳統(tǒng)運(yùn)載火箭構(gòu)型的重復(fù)使用技術(shù)，對(duì)運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的影響相對(duì)較小，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用的主要途徑。目前，運(yùn)載火箭箭體回收主要包括傘降回收、垂直返回和帶翼飛回3種方式。其中，傘降回收和帶翼飛回屬于依靠再入氣動(dòng)減速的回收技術(shù)，垂直返回屬于依靠反推沖量減速的回收技術(shù)。

1)傘降回收，即利用降落傘實(shí)現(xiàn)火箭助推器的減速回收。在火箭與子級(jí)分離后對(duì)子級(jí)助推器先進(jìn)行主動(dòng)減速制動(dòng)，降低軌道高度，進(jìn)入返回軌道，在高空高超聲速狀態(tài)下通過(guò)氣動(dòng)減速，飛行至低空并降低飛行速度后，打開降落傘進(jìn)一步減速，至落地前通過(guò)氣囊或緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)緩沖實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)著陸。這種方式在飛船、返回式衛(wèi)星上獲得應(yīng)用。美國(guó)的航天飛機(jī)、K-1運(yùn)載火箭，俄羅斯的能源號(hào)運(yùn)載火箭等都采用了傘降回收火箭助推器的技術(shù)方案。

2)垂直返回，與傘降回收相同，分離后的子級(jí)助推器首先進(jìn)行主動(dòng)減速，在低空飛行段主發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)啟動(dòng)變推力工作，提供反推沖量進(jìn)行減速的同時(shí)進(jìn)行飛行制導(dǎo)與穩(wěn)定控制，在接近預(yù)定落點(diǎn)位置時(shí)適時(shí)展開助推器底部著陸機(jī)構(gòu)，控制落速的同時(shí)平穩(wěn)著陸在預(yù)定位置。垂直返回是基于當(dāng)前一次性運(yùn)載火箭構(gòu)型實(shí)現(xiàn)助推器回收且再次重復(fù)使用的較為簡(jiǎn)捷、技術(shù)改動(dòng)量相對(duì)較小的途徑。比較有代表性的是美國(guó)的獵鷹系列、新謝潑德等運(yùn)載火箭。

3)帶翼飛回，將傳統(tǒng)火箭旋成體助推器改造為升力體外形，為火箭子級(jí)安裝起落架，使其能夠自主或遙控飛行，在火箭與助推器分離后，以升力體的形式無(wú)動(dòng)力滑翔飛行并水平著陸于地面跑道。最具有代表性的為美國(guó)的航天飛機(jī)。

3 國(guó)外技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 傘降回收

國(guó)外降落傘減速回收技術(shù)在助推器回收中的應(yīng)用，起源于美國(guó)的航天飛機(jī)助推器回收，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，積累了相對(duì)成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1.1 美國(guó)航天飛機(jī)固體助推器

美國(guó)航天飛機(jī)于1969年開始研發(fā)，1981年首飛成功，2011年正式退役。位于航天飛機(jī)兩側(cè)的兩臺(tái)固體助推火箭采用降落傘回收系統(tǒng)進(jìn)行回收著陸，主要由1個(gè)引導(dǎo)傘、1個(gè)穩(wěn)定傘和3個(gè)主傘組成。

助推火箭完成工作后，與航天飛機(jī)分離，分離后的助推器繼續(xù)上升至彈道最高點(diǎn)，下落時(shí)作大攻角再入，通過(guò)大攻角飛行產(chǎn)生較大的氣動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)減速，下落速度降低至亞聲速后逐級(jí)打開降落傘系統(tǒng)，先拉出引導(dǎo)傘，再由引導(dǎo)傘拉出減速傘，助推器下降到一定高度時(shí)，減速傘分離并拉出3具主傘，最終使助推器以25 m/s左右的落水速度濺落于離發(fā)射場(chǎng)約240 km的海上。航天飛機(jī)助推器回收工作過(guò)程如圖 1所示。

圖1 航天飛機(jī)助推器回收工作過(guò)程[4-5]Fig.1 Recovery process of space shuttle booster[4-5]

助推器降落傘回收系統(tǒng)中，突出了降落傘在再入飛行過(guò)程中的氣動(dòng)減速作用，傘降系統(tǒng)方案中共使用了5具降落傘，分別在再入下落的不同階段打開。在項(xiàng)目研制中，經(jīng)過(guò)多次技術(shù)改進(jìn)，先是將主傘直徑從35 m增至41 m，又將引導(dǎo)傘改用強(qiáng)度更高的材料，開傘動(dòng)壓達(dá)到了27.9 kPa，并在主傘上采取了防撕措施。歷經(jīng)多次改進(jìn)后的降落傘減速系統(tǒng)研發(fā)成功后至1996年年底，在航天飛機(jī)的80次成功飛行中，助推器回收未發(fā)現(xiàn)因降落傘故障而造成的失敗，回收成功率達(dá)100%。

3.1.2 美國(guó)K-1運(yùn)載火箭

20世紀(jì)90年代，美國(guó)Kistler私營(yíng)宇航公司研發(fā)了K-1可重復(fù)使用運(yùn)載火箭，為兩級(jí)助推構(gòu)型。一子級(jí)稱為發(fā)射支持平臺(tái)(Launch Assist Platform)，二子級(jí)稱為軌道運(yùn)載器(Orbit Vehicle)。兩級(jí)均采用降落傘系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)氣動(dòng)減速，最終以氣囊緩沖著陸的方式回收。

K-1火箭的第一級(jí)可完全重復(fù)使用，在把飛行器升高到41.2 km的高空后，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，第一級(jí)分離；約在7.62 km高度時(shí)，彈出兩具變透氣量錐形帶條減速傘，傘直徑為12.25 m，采用二級(jí)收口；約在4.257 km高度時(shí)，減速傘拉出6具直徑為47.55 m的1/4球面環(huán)帆主傘，主傘也采用二級(jí)收口。著陸前數(shù)分鐘，4個(gè)長(zhǎng)3.66 m、直徑為2.59 m的圓柱氣囊展開，運(yùn)載器著陸，著陸沖擊小于4

g

。二子級(jí)離軌時(shí)瞄準(zhǔn)能夠返回發(fā)射點(diǎn)附近的再入彈道，在24.38 km高度、

Ma

=2.5狀態(tài)下打開一個(gè)直徑7 m的穩(wěn)定傘，使二子級(jí)能夠減速到亞聲速狀態(tài)，在8.23 km高度時(shí)，穩(wěn)定傘分離并拉出一個(gè)直徑12.25 m的一級(jí)收口帶條減速傘。減速傘全張滿后進(jìn)行轉(zhuǎn)吊掛將二子級(jí)姿態(tài)從垂直轉(zhuǎn)換為水平，在4.57 km高度減速傘分離并拉出3個(gè)直徑47.55 m的兩級(jí)收口環(huán)帆主傘，在3.35 km高度主傘全張滿。當(dāng)二子級(jí)下降至1.5 km高度時(shí)緩沖氣囊充氣展開，最終通過(guò)氣囊實(shí)現(xiàn)著陸緩沖。

1998年在亞利桑那沙漠進(jìn)行了降落傘系統(tǒng)的空投試驗(yàn)，試驗(yàn)中主傘全部打開充滿，攜帶載荷安全降落至地面。K-1運(yùn)載火箭原計(jì)劃2002年首次試飛，但由于項(xiàng)目下馬未能完成飛行驗(yàn)證。即便如此，K-1完全可重復(fù)使用運(yùn)載器回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和試驗(yàn)方法有很多創(chuàng)新之處值得借鑒，其陸地回收較海上回收設(shè)計(jì)思想更進(jìn)一步。節(jié)省了回收環(huán)節(jié)的大量人力與物力，同時(shí)回收的助推器與降落傘未受到海水腐蝕，再次使用前的修復(fù)工作也大大減少。

3.1.3 俄羅斯能源號(hào)運(yùn)載火箭

20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)開展了能源號(hào)運(yùn)載火箭研制，該火箭的液體助推器技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)使用。能源號(hào)運(yùn)載火箭助推器的回收系統(tǒng)主要包括1個(gè)二級(jí)收口的186 m引導(dǎo)傘、3個(gè)200 m的減速傘、3個(gè)1 800 m主傘和著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)。由于助推器具有大長(zhǎng)細(xì)比的特點(diǎn)，該技術(shù)方案中，在打開減速傘后，助推器減速下落，當(dāng)助推器下落速度穩(wěn)定，即實(shí)現(xiàn)阻力與重力平衡后，主傘與助推器由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)換為水平飛行狀態(tài)。在著陸前，安裝在助推器兩端的反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，在反推發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下，助推器以接近于零的速度軟著陸。

該技術(shù)方案設(shè)計(jì)思路借鑒了返回式衛(wèi)星和航天飛船的著陸回收思想，并針對(duì)區(qū)別于飛船大鈍頭錐體的大長(zhǎng)細(xì)比柱段助推器外形，使用群傘系統(tǒng)與反推動(dòng)力的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)助推器的穩(wěn)定著陸與回收。雖然最終因能源號(hào)運(yùn)載火箭任務(wù)的下馬，其技術(shù)并未得到飛行驗(yàn)證;但設(shè)計(jì)思路對(duì)于大長(zhǎng)細(xì)比助推器的著陸回收設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

3.1.4 歐洲阿里安5運(yùn)載火箭

20世紀(jì)80年代，歐空局研制新型阿里安5運(yùn)載火箭(Ariane 5)，其固體助推器為可重復(fù)使用設(shè)計(jì)， 采用傘降形式實(shí)現(xiàn)助推級(jí)回收。

阿里安5助推器回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括:助推器質(zhì)量為40 t、長(zhǎng)度31 m、直徑3 m；在海上濺落速度不超過(guò)27 m/s；助推器入水姿態(tài)應(yīng)接近垂直，不考慮風(fēng)干擾時(shí)，落角小于10°；單個(gè)助推器回收系統(tǒng)質(zhì)量不超過(guò)1 200 kg。

阿里安5助推器回收系統(tǒng)主要部件包括降落傘系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)件和火工裝置，它們均裝在助推器的前部和頭錐內(nèi)。為了安全保險(xiǎn)，回收系統(tǒng)主要部件均有自己獨(dú)立的電源和控制系統(tǒng)，與助推器之間只有少數(shù)連接點(diǎn)。

阿里安5助推器回收過(guò)程如圖 2所示。具體過(guò)程為：火箭起飛后126 s，在59 km左右的高度，助推器與芯級(jí)分離，助推器沿分離彈道繼續(xù)上升到彈道頂點(diǎn)150 km，然后下降，再入大氣層。當(dāng)助推器下降到27～8.5 km時(shí)，氣壓繼電器開關(guān)動(dòng)作，測(cè)高系統(tǒng)啟動(dòng)，當(dāng)助推器下降到5.2～4.8 km時(shí)，依次打開引導(dǎo)傘和穩(wěn)定減速傘，當(dāng)助推器下降到2 770～1 320 m時(shí)，切斷減速傘連接帶，減速傘分離，同時(shí)拉出輔助傘和主傘，助推器以小于27 m/s垂直速度落水，整個(gè)回收程序持續(xù)約70 s。

圖2 阿里安5助推器回收過(guò)程示意圖[12]Fig.2 Diagram of Ariane 5 booster recovery process[12]

阿里安5首次飛行試驗(yàn)于1996年6月完成。試驗(yàn)中控制系統(tǒng)異常，致使火箭升空30 s后發(fā)生故障，回收系統(tǒng)未得到飛行驗(yàn)證。此后，對(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，并于1998年10月開展了再次發(fā)射，助推器回收系統(tǒng)工作正常，一個(gè)助推器成功回收，另一個(gè)助推器在再入過(guò)程中由于姿態(tài)異常，造成氣動(dòng)力超過(guò)設(shè)計(jì)載荷，箭體折斷，回收失敗。

阿里安5助推器回收技術(shù)，充分借鑒并融合了“能源號(hào)”的設(shè)計(jì)思想，技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)成功驗(yàn)證;但由于助推器回收的難度和技術(shù)方案的復(fù)雜性，其固有可靠性較低。

3.2 垂直回收

隨著SpaceX公司的崛起和獵鷹系列運(yùn)載火箭助推器海上回收的成功實(shí)踐，垂直返回式運(yùn)載火箭助推器回收技術(shù)得到業(yè)界越來(lái)越多關(guān)注。

3.2.1 美國(guó)獵鷹系列運(yùn)載火箭

SpaceX公司建立之初即矢志于重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)的不懈追求。其目的一方面是為實(shí)現(xiàn)商業(yè)航天發(fā)射成本的大幅降低，另一方面是為未來(lái)登陸火星奠定技術(shù)基礎(chǔ)。該公司研制的獵鷹9和獵鷹重型運(yùn)載火箭，均采用了助推器可控回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一子級(jí)的可重復(fù)使用。

獵鷹9一子級(jí)回收技術(shù)方案為在一子級(jí)上部增加?xùn)鸥穸妫糜诨厥诊w行過(guò)程中的姿態(tài)控制，并在火箭尾部增加可折疊式著陸支架。在下落過(guò)程中，主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行3次點(diǎn)火，提供反推力，實(shí)現(xiàn)箭體的減速和降落。具體回收過(guò)程為：火箭發(fā)射后3 min(高度80 km)左右，一子級(jí)分離，箭體飛行至140 km的彈道最高點(diǎn)。之后助推器在姿控動(dòng)力作用下調(diào)轉(zhuǎn)方向飛向著陸場(chǎng)。發(fā)射后約4.5 min，一子級(jí)第一次重啟主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)減速，動(dòng)態(tài)調(diào)整與著陸目標(biāo)點(diǎn)間的距離。再入大氣層后，一子級(jí)再次點(diǎn)火持續(xù)工作時(shí)間約20 s，在火箭反推力和大氣阻力的作用下，飛行速度從1 300 m/s降至250 m/s。著陸前，一子級(jí)的主發(fā)動(dòng)機(jī)第3次點(diǎn)火，速度降至2 m/s。位于助推器底部的4個(gè)著陸支架打開。在液壓減震的作用下，減少落地沖擊，從而實(shí)現(xiàn)軟著陸，如圖3所示。該技術(shù)方案采用的可移動(dòng)海上平臺(tái)由石油鉆井平臺(tái)改制而成，配有壓載水艙和經(jīng)改造的水下推進(jìn)器，以保持其在大西洋中的位置，即使遇到風(fēng)暴，其位置保持精度也能控制在3 m以內(nèi)。獵鷹9于2016年4月9日實(shí)現(xiàn)了首次海上成功回收。

圖3 獵鷹9火箭第一級(jí)垂直回收著陸[15]Fig.3 The first stage vertical recovery landing of Falcon 9 rocket[15]

獵鷹重型是目前世界上在役運(yùn)載能力最大的運(yùn)載火箭，采用兩級(jí)半液氧煤油構(gòu)型，并捆綁兩枚助推器。火箭最大直徑為12.2 m，全長(zhǎng)70 m，近地軌道(LEO)運(yùn)載能力為63.8 t。2018年2月7日， 獵鷹重型火箭首次驗(yàn)證性飛行試驗(yàn)，所采用的兩枚助推器為此前飛行試驗(yàn)中回收的獵鷹9火箭一子級(jí)。飛行試驗(yàn)中，再次對(duì)芯級(jí)和兩枚助推器進(jìn)行了回收。兩枚助推器完成工作后與芯級(jí)分離，之后進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，在柵格舵的控制下飛回卡納維拉爾角的海上回收平臺(tái)，兩枚助推器幾乎同時(shí)著陸，完美回收，如圖4所示。但是，由于芯一級(jí)燃料不足，降落時(shí)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中2兩臺(tái)點(diǎn)火失敗，芯一級(jí)以約500 km/h的速度墜入大海，回收失敗。

圖4 獵鷹重型助推器幾乎同時(shí)著陸[16]Fig.4 Falcon heavy boosters landing together[16]

獵鷹9火箭助推級(jí)的多次回收和重復(fù)使用，表明助推器一子級(jí)垂直降落回收技術(shù)已成熟，并使大幅降低運(yùn)載火箭發(fā)射成本變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。同時(shí)，重復(fù)使用一子級(jí)，給獵鷹重型火箭部分助推器構(gòu)型的重復(fù)使用設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，火箭構(gòu)型中安裝的28臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中有27臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)使用，比例達(dá)到96%，大幅提升了火箭的重復(fù)使用率，降低了重型火箭的發(fā)射成本。截至目前，獵鷹系列火箭已完成了超過(guò)100次成功發(fā)射，其中已經(jīng)有兩枚火箭重復(fù)使用了9次。該技術(shù)的突破，對(duì)于未來(lái)開展更廣泛的星際探索具有里程碑意義。

3.2.2 美國(guó)新謝潑德亞軌道飛行器

美國(guó)新興航天企業(yè)藍(lán)源公司(Blue Origin)研制的新謝潑德亞軌道試驗(yàn)飛行器(New Shepard)，主要由助推器和載人艙組成，起飛質(zhì)量為40 t，助推器為一臺(tái)具有深度節(jié)流能力的BE-3液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，可將載人艙送入卡門線附近的太空邊界。載人艙搭載乘客，用于開發(fā)太空旅游業(yè)務(wù)。飛行器利用助推器加速飛行到約40 km高度后，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，艙體分離，載人艙慣性滑行到100 km高度，讓乘客體驗(yàn)微重力環(huán)境和太空風(fēng)景，最后載人艙自行返回，利用降落傘減速著陸。其助推器在艙體分離后，自行飛行下降到接近地面時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)多次重啟進(jìn)行減速，并利用動(dòng)力反推實(shí)現(xiàn)垂直返回著陸。

新謝潑德亞軌道飛行器于2015年4月完成首飛，助推器在返回過(guò)程中由于失控而墜毀未實(shí)現(xiàn)回收。對(duì)此，Blue Origin公司改進(jìn)了載人艙降落傘和助推器點(diǎn)火裝置，并將助推器飛行控制的策略改進(jìn)為在下落過(guò)程中優(yōu)先進(jìn)行降落高度判斷而非落點(diǎn)橫向偏移校正，改進(jìn)后有助于在箭體受低空氣流干擾時(shí)選擇合適的位置降落。2015 年11 月，第二次飛行試驗(yàn)中，成功實(shí)現(xiàn)了助推器回收，標(biāo)志著其助推器回收技術(shù)取得突破。截至2021年8月，“新謝潑德”號(hào)已完成17次發(fā)射任務(wù)，其中2021年8月26日發(fā)射的火箭已經(jīng)是第8次使用。

作為亞軌道飛行器，相比于運(yùn)載火箭，新謝潑德助推器重復(fù)使用難度相對(duì)較低。雖然回收過(guò)程無(wú)需進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，但其研制成功標(biāo)志著返回段減速控制、箭體姿態(tài)控制、著陸導(dǎo)航控制、回收維護(hù)再利用等關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，也再次證明助推器垂直回收技術(shù)的可靠性相對(duì)高于其他方式。

3.3 帶翼飛回

帶翼飛回技術(shù)的設(shè)計(jì)思想起源于航空領(lǐng)域飛機(jī)的水平著陸，不同點(diǎn)在于火箭助推器完成空間載荷投送使命后高速再入大氣層，飛行馬赫數(shù)遠(yuǎn)大于飛機(jī)。因此，運(yùn)載火箭帶翼飛回實(shí)現(xiàn)著陸回收的條件是助推器為升力體結(jié)構(gòu)外形，最典型的技術(shù)實(shí)踐是美國(guó)航天飛機(jī)，作為運(yùn)載火箭采用該技術(shù)方式的有俄羅斯安加拉運(yùn)載火箭一級(jí)助推器，由于目前大部分進(jìn)入空間的運(yùn)載火箭均為旋成體外型，因此該項(xiàng)技術(shù)途徑在運(yùn)載火箭助推器回收領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)緩慢。

3.3.1 美國(guó)航天飛機(jī)

升力體式構(gòu)型的典型代表是美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)研制的航天飛機(jī)，1981 年進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)，累計(jì)5架投入使用。按設(shè)計(jì)狀態(tài)，航天飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)載人飛行進(jìn)入近地軌道，并執(zhí)行人員和貨物運(yùn)送、空間試驗(yàn)、衛(wèi)星發(fā)射和回收等任務(wù)。

執(zhí)行完空間任務(wù)后, 航天飛機(jī)在軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)作用下, 被推離運(yùn)行軌道返回地球。軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)大約工作10 min后，飛行高度降低到大約120 km，航天飛機(jī)進(jìn)入再入返回階段。在地球引力與稀薄大氣環(huán)境下，航天飛機(jī)不斷改變偏轉(zhuǎn)和俯仰角度進(jìn)行機(jī)動(dòng)減速，約30 min后，飛行馬赫數(shù)從24降低至3，飛行高度降低到25 km，此時(shí)將經(jīng)歷最嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱過(guò)程。此后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，航天飛機(jī)進(jìn)入著陸返回階段，采用無(wú)動(dòng)力滑翔的方式，進(jìn)行S形轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)飛行。當(dāng)高度下降到11 km時(shí)，進(jìn)行精確飛行修正和選擇跑道方向，高度逐漸下降到5 km、距離著陸跑道約15 km時(shí)，航天飛機(jī)開始瞄準(zhǔn)跑道線，并以最大仰角達(dá)24°的姿態(tài)急劇下滑，高度降低到650 m時(shí)，仰角逐漸拉平到3°，在150 m高度時(shí)起落架下放，展開減速傘，以90 m/s的速度沖上跑道，滑行約1.5 km后停下，實(shí)現(xiàn)著陸返回,如圖5所示。

圖5 美國(guó)航天飛返回著陸地面跑道[3]Fig.5 U.S.shuttle return to landing runway[3]

航天飛機(jī)是目前最為成功的帶翼可重復(fù)使用運(yùn)載器。其回收著陸過(guò)程中，最大的挑戰(zhàn)是再入大氣所經(jīng)歷嚴(yán)酷的熱環(huán)境，該風(fēng)險(xiǎn)也導(dǎo)致了2003年2月哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)返回地面時(shí)失事解體。加之1986年挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)在起飛階段失事，美國(guó)共損失2架航天飛機(jī)和14名宇航員。同時(shí)，由于單價(jià)高達(dá)200億美元的造價(jià)，在2011年，航天飛機(jī)累計(jì)執(zhí)行了135 次飛行任務(wù)后，全部退役。

3.3.2 美國(guó)XS-1實(shí)驗(yàn)性航天飛機(jī)

在擁有豐富的航天飛機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2017年5月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)與波音公司簽訂協(xié)議，授權(quán)其研發(fā)XS-1實(shí)驗(yàn)性航天飛機(jī)(Experimental Spaceplane)。XS-1雖被稱為飛機(jī)，但實(shí)際上為一款帶翼飛回式運(yùn)載火箭。該火箭的設(shè)計(jì)狀態(tài)為火箭一子級(jí)垂直起飛、水平著陸，經(jīng)過(guò)一般性的維修后，數(shù)小時(shí)內(nèi)就能再次發(fā)射使用，最終能夠?qū)崿F(xiàn)在10天內(nèi)執(zhí)行10次飛行任務(wù)。該項(xiàng)目的目標(biāo)為：演示可重復(fù)使用能力、低成本軍事和商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射及高超聲速技術(shù)測(cè)試；將1 361～2 268 kg有效載荷發(fā)射入低地球軌道，單次發(fā)射成本不超過(guò)500萬(wàn)美元，每年至少發(fā)射10次；在10天內(nèi)完成10次發(fā)射。 2020年1月，研制方波音公司突然宣布退出XS-1項(xiàng)目，DARPA宣布重新開始招標(biāo)。

3.3.3 俄羅斯安加拉運(yùn)載火箭

能源號(hào)運(yùn)載火箭任務(wù)下馬后，俄羅斯從20世紀(jì)90年代末期開始研制安加拉(Angara)新型運(yùn)載火箭，提出了兩種助推器回收方案，其中一種就是貝加爾號(hào)有翼助推器方案。

貝加爾號(hào)為第一級(jí)帶翼飛回式助推器，垂直起飛時(shí)機(jī)翼為折疊狀態(tài)，一子級(jí)與箭體分離后展開機(jī)翼，利用安裝在助推器頭部的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)作用下返回發(fā)射場(chǎng)并水平著陸。貝加爾號(hào)設(shè)計(jì)可重復(fù)使用次數(shù)高達(dá)100次，有80%的凈質(zhì)量可以重復(fù)使用。在2001年巴黎航展上，俄羅斯展示了貝加爾1號(hào)全尺寸試驗(yàn)飛行器，飛行器上裝有旋轉(zhuǎn)機(jī)翼、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、可收放起落架和自動(dòng)飛行與著陸控制系統(tǒng),如圖6所示。貝加爾1號(hào)對(duì)射向沒(méi)有限制，不會(huì)對(duì)落區(qū)產(chǎn)生破壞，并能與當(dāng)前國(guó)際上的多數(shù)運(yùn)載火箭兼容。貝加爾號(hào)在提出概念和設(shè)計(jì)方案后，研制工作便近似停滯，尚沒(méi)有開展試驗(yàn)及工程應(yīng)用。

圖6 巴黎航展上貝加爾1號(hào)全尺寸試驗(yàn)飛行器[19]Fig.6 Baikal-1 full scale test vehicle at Paris Air Show[19]

4 技術(shù)方案總結(jié)與評(píng)價(jià)

4.1 技術(shù)難度與可靠性評(píng)價(jià)

3種運(yùn)載火箭助推器回收技術(shù)方案，采取了不同的技術(shù)路線，技術(shù)難點(diǎn)不盡相同。

對(duì)于傘降回收技術(shù)方案，技術(shù)難點(diǎn)主要是大型群傘系統(tǒng)的充氣同步性控制技術(shù)。該技術(shù)方案中，降落傘既是高速下落減速的核心途徑，也起到維持大靜不穩(wěn)定度助推器外型穩(wěn)定飛行的作用。從國(guó)外幾種具體技術(shù)方案分析，傘降回收均采用了3種主降落傘實(shí)施減速穩(wěn)定，如果群傘充氣同步性較差，會(huì)引起開傘載荷在各傘之間分布不均，導(dǎo)致助推器姿態(tài)擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使單個(gè)或多個(gè)降落傘破壞失效。因此，群傘的充氣同步性控制技術(shù)，決定了群傘的可靠性，降落傘使用越多，必然導(dǎo)致該回收方式可靠性的降低。

對(duì)于垂直回收技術(shù)，其技術(shù)難點(diǎn)主要在于助推器的液體發(fā)動(dòng)機(jī)的大范圍推力調(diào)節(jié)技術(shù)和著陸展開支撐機(jī)構(gòu)技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)在垂直返回時(shí)，預(yù)留減速用推進(jìn)劑在微重力環(huán)境下面臨發(fā)動(dòng)機(jī)重啟和推進(jìn)劑流量管理的難題。由于美國(guó)在阿波羅登月和德?tīng)査旆怪被厥罩袑?duì)于推力可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，使得SpaceX公司快速掌握了垂直回收技術(shù)，并廣泛使用。從獵鷹系列火箭成功回收與重復(fù)使用的數(shù)據(jù)來(lái)看，在成熟掌握液體發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍推力可調(diào)技術(shù)的情況下，垂直回收的技術(shù)可靠性將大大提高。因此，該技術(shù)成為制約垂直回收技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵。

對(duì)于帶翼飛回方式，其難點(diǎn)在于復(fù)雜的氣動(dòng)外形控制與熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。帶翼飛回設(shè)計(jì)中，沒(méi)有增加過(guò)多的動(dòng)力減速系統(tǒng)，主要依靠升力體外形滑翔飛行再入大氣層，氣動(dòng)舵面與姿控動(dòng)力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行與著陸控制的技術(shù)難度大。同時(shí)，助推器再入將面臨嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱環(huán)境，給助推器返回的熱防護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。因此，技術(shù)難度最大，目前僅在美國(guó)航天飛機(jī)上得到應(yīng)用，在傳統(tǒng)火箭構(gòu)型中尚未成功應(yīng)用。

4.2 應(yīng)用前景評(píng)價(jià)

運(yùn)載火箭以實(shí)現(xiàn)有效載荷投送為主要目的，在運(yùn)載火箭上附加回收系統(tǒng)，對(duì)火箭的結(jié)構(gòu)布局和總體設(shè)計(jì)帶來(lái)影響，相應(yīng)需損失運(yùn)載火箭的運(yùn)載有效載荷大小。初步分析，傘降回收方式，需要增加降落傘及緩沖系統(tǒng)，運(yùn)載能力損失不超過(guò)10%；對(duì)于垂直回收，需要在火箭尾部增加著陸機(jī)構(gòu)，同時(shí)需預(yù)留一定的推進(jìn)劑用于返回飛行和下降過(guò)程中減速，按照不考慮返回原場(chǎng)估算的運(yùn)載能力損失約20% ；對(duì)于帶翼飛回，需要結(jié)合箭體結(jié)構(gòu)增加翼面、舵面及著陸系統(tǒng)等，對(duì)于火箭的設(shè)計(jì)影響最大，其運(yùn)載能力損失也達(dá)到30%以上。

因此，從對(duì)火箭設(shè)計(jì)的影響及運(yùn)載能力損失的角度分析，垂直回收相對(duì)來(lái)說(shuō)影響最小，傘降回收次之，帶翼飛回帶來(lái)的影響最大。因此，綜合技術(shù)方案可靠性與目前國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀判斷，垂直回收技術(shù)將是未來(lái)運(yùn)載火箭助推器回收利用的主流技術(shù)選擇。

5 研究啟示與建議

我國(guó)在運(yùn)載火箭助推器回收方面，在3個(gè)技術(shù)方向上均開展了相應(yīng)的研究工作，并在近年來(lái)依托成熟運(yùn)載火箭發(fā)射業(yè)務(wù)搭載開展了傘降回收、垂直回收柵格舵落點(diǎn)控制等驗(yàn)證試驗(yàn)，在助推器回收方面取得了突破性進(jìn)展。結(jié)合上述國(guó)外技術(shù)研究分析，對(duì)于我國(guó)發(fā)展運(yùn)載火箭助推器回收技術(shù)，提出以下思考：

1)有必要高度重視運(yùn)載火箭助推器回收技術(shù)開發(fā)的意義和拓展應(yīng)用價(jià)值。雖然該技術(shù)在20世紀(jì)人類開始進(jìn)入空間時(shí)就開始探索，并逐漸應(yīng)用，但其意義的凸顯，是進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，太空成為繼陸、海、空之后人類活動(dòng)的第四空間，運(yùn)載火箭助推器回收的意義更加凸顯。特別是獵鷹系列火箭實(shí)現(xiàn)助推器多次回收與重復(fù)使用后，人們將注意力更加集中于助推器回收的技術(shù)研究。助推器回收在航天發(fā)射領(lǐng)域能夠直接降低進(jìn)入空間成本，提升商業(yè)航天發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)完善航天運(yùn)輸體系，逐步實(shí)現(xiàn)自由天地往返意義重大。同時(shí)，其技術(shù)在軍事航天領(lǐng)域的拓展應(yīng)用前景廣闊，對(duì)于空間防御武器的形成、支撐作戰(zhàn)支援任務(wù)、提升導(dǎo)彈攻防對(duì)抗與體系作戰(zhàn)能力意義重大。因此，我國(guó)有必要高度重視助推器回收技術(shù)的研發(fā)，加大技術(shù)攻關(guān)的投入力度。

2)助推器回收技術(shù)發(fā)展的制約在于瓶頸技術(shù)的掌握和成熟度的提升，我國(guó)相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)積累較為薄弱。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)際社會(huì)普遍以運(yùn)載火箭有效載荷投送能力作為衡量航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志之一，因此，我國(guó)前期在助推器回收技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注度相對(duì)較低。傘降回收技術(shù)方面，我國(guó)具有了返回式衛(wèi)星與神州系列飛船返回回收的技術(shù)積累，基礎(chǔ)相對(duì)較高。垂直回收技術(shù)方面，液體火箭大范圍推力調(diào)節(jié)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，相比于美國(guó)在航天機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)SSME(推力條件范圍65%～109%)、蘇聯(lián)研制的液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)NK-33(推力調(diào)節(jié)范圍為23%～115%)，美、俄聯(lián)合研制的RD-180(47%～100%)，我國(guó)在此領(lǐng)域技術(shù)較為薄弱。帶翼飛回的升力飛行器回收方面，美國(guó)有5架航天飛機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，俄羅斯在蘇聯(lián)時(shí)期有暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)在該領(lǐng)域尚沒(méi)有工程研制經(jīng)驗(yàn)。因此，客觀認(rèn)識(shí)我國(guó)在各技術(shù)方向上的研究現(xiàn)狀，對(duì)于確定攻關(guān)路線和規(guī)劃，具有重要的指導(dǎo)意義。

3)開展技術(shù)發(fā)展統(tǒng)籌規(guī)劃，強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)與應(yīng)用背景的結(jié)合，分類分步開展研究攻關(guān)。傘降回收技術(shù)，充分利用返回式衛(wèi)星與飛船研究成果，結(jié)合子級(jí)落點(diǎn)可控應(yīng)用需求，重點(diǎn)攻克群傘減速與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)早日工程應(yīng)用。垂直回收技術(shù)，需確定詳細(xì)的技術(shù)路線與規(guī)劃，集中力量突破液體發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍推力調(diào)節(jié)技術(shù)，加大回收著陸裝置機(jī)構(gòu)研發(fā)力度，分步開展演示驗(yàn)證、搭載飛行，不斷提升技術(shù)可靠性，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭助推器的可靠回收與重復(fù)使用。帶翼回收技術(shù)，充分利用我國(guó)導(dǎo)彈研究中積累的再入氣動(dòng)控制與防隔熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合軍事領(lǐng)域需求，開展技術(shù)研發(fā)，為后續(xù)項(xiàng)目研制鋪平道路。

4)面向應(yīng)用與推廣，注重技術(shù)方案的成本改善與可靠性提升。在冷戰(zhàn)思維推動(dòng)下，美國(guó)航天飛機(jī)的研制和服役，將美國(guó)空間站建設(shè)與太空科學(xué)研究推向了高峰，但其高昂的成本和較低的可靠性，使得航天飛機(jī)最終退役。這一事實(shí)再一次提醒我們，技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的生命力，要始終需要關(guān)注成本與可靠性。助推器回收技術(shù)的推廣應(yīng)用，需要關(guān)注回收系統(tǒng)對(duì)投送有效載荷的損失，要關(guān)注回收后助推器使用的維修性與經(jīng)濟(jì)性，只有向低成本和高可靠性的兩個(gè)方向上不斷正向發(fā)展，助推器回收技術(shù)的發(fā)展才能更有生命力。