火箭回收復(fù)用意義

運(yùn)載火箭的研制復(fù)雜，耗資巨大，成本問題已成為制約航天事業(yè)發(fā)展的主要因素之一。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，大幅度降低成本成為運(yùn)載火箭研制中必須重點(diǎn)考慮的問題。運(yùn)載火箭作為商業(yè)航天主要的運(yùn)載工具，降低其商用成本、滿足市場所需是運(yùn)載火箭大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，也是構(gòu)建整個(gè)商業(yè)航天生態(tài)的基石。

有效降低火箭成本的三種途徑為：一是火箭回收與重復(fù)使用；二是垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈與自主研發(fā)核心技術(shù)；三是采用通用化設(shè)計(jì)，使用市場貨架產(chǎn)品。其中，火箭可回收技術(shù)是降低成本最核心且有效的方式。

火箭回收模式

運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用需要在火箭完成使命后，使其安全返回地面才能在檢修后再次投入使用。因此，回收方式對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，可分為傘降回收、垂直回收及帶翼飛回三種：

傘降回收：是一級(jí)火箭完成級(jí)間段分離后使用降落傘進(jìn)行回收的方式，具有技術(shù)成熟度高、運(yùn)載能力損失小（約10%）、成功率高等優(yōu)勢，尤其能減少對(duì)地面人員設(shè)施的危害。但傘降回收對(duì)著陸地形要求高且難以控制著陸點(diǎn)，火箭落地后發(fā)動(dòng)機(jī)也隨之報(bào)廢，與真正意義上的“回收利用”差距很大。采用傘降回收的代表火箭如聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（UnitedLaunch Alliance，ULA）的“火神”火箭，該火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)束工作完成級(jí)間分離后，使用降落傘進(jìn)行減速，由直升機(jī)在空中實(shí)現(xiàn)回收。

 

來源：網(wǎng)絡(luò)

 

圖 | “火神”火箭SMART技術(shù)示意圖，資料來源：智東西

垂直回收：是通過重啟一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以減速并調(diào)整至指定地點(diǎn)的回收方式，重啟發(fā)動(dòng)機(jī)需預(yù)留推進(jìn)劑，火箭運(yùn)載能力損失約30-50%。采用垂直回收的代表火箭如SpaceX的獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭，該火箭一級(jí)火箭分離后，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)使一級(jí)火箭倒轉(zhuǎn)，重啟發(fā)動(dòng)機(jī)反推火箭進(jìn)入預(yù)定返回軌道，據(jù)報(bào)道，獵鷹9號(hào)火箭運(yùn)載能力因回收會(huì)損失運(yùn)載能力達(dá)40%以上。

此外，繩網(wǎng)回收是一種新提出的垂直著陸回收減速方式，在地面設(shè)置特殊材料的繩網(wǎng)，當(dāng)火箭的一級(jí)落在繩網(wǎng)區(qū)域時(shí)，感應(yīng)器就會(huì)感應(yīng)到繩網(wǎng)，然后控制繩網(wǎng)主動(dòng)鉤掛火箭。

 

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帶翼飛回：是一級(jí)火箭裝備機(jī)翼、起落架等結(jié)構(gòu)利用空氣動(dòng)力滑翔降落的回收方式，該方式對(duì)火箭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量等因素致使火箭運(yùn)載能力損失約40%。采用帶翼飛回回收的典型代表是俄羅斯提出的貝加爾號(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，可飛回發(fā)射場以自動(dòng)方式像飛機(jī)一樣著陸，可重復(fù)使用100次。

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傘降回收、帶翼飛回各有限制，垂直回收可回收包括發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的核心部件，商業(yè)應(yīng)用價(jià)值最高。傘降回收方式不能改變飛行軌跡，返回過程箭體載荷環(huán)境較為惡劣，著陸精度差，對(duì)回收和復(fù)用不利，且受限于降落傘尺寸，難以滿足較大箭體的回收。帶翼飛回目前仍停留在概念設(shè)計(jì)階段，利用自身動(dòng)力飛回發(fā)射場并水平著陸需要對(duì)火箭設(shè)計(jì)改動(dòng)，造成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、質(zhì)量增加，導(dǎo)致運(yùn)載能力損失較大。

而垂直回收則能夠有效改善上述問題，通過發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火減小飛行載荷、提高著陸精度，同時(shí)其對(duì)火箭設(shè)計(jì)的改動(dòng)最小，可回收包括發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的核心部件，在三種回收方式中商業(yè)應(yīng)用價(jià)值最高，但實(shí)現(xiàn)火箭垂直回收需要攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。

一是火箭的總體參數(shù)必須進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是回收過程中，需要對(duì)回收部件的推進(jìn)系統(tǒng)、返回火箭級(jí)的重量等重新進(jìn)行調(diào)整。二是火箭在返回時(shí)必須以垂直姿態(tài)進(jìn)行，因此對(duì)返回的精度控制要求非常高，一方面是對(duì)軌道的控制，另一方面是對(duì)落點(diǎn)的控制。三是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)除了要能夠可重復(fù)使用以外，還要具有推力可調(diào)的特性，以保障能夠隨時(shí)維持垂直降落的方向和速度。四是，著陸時(shí)要有非常有效的緩沖。在回收的火箭級(jí)中，必須要配備高效的緩沖裝置，在即將接近地面時(shí)，保證防止箭體傾斜、進(jìn)一步降低下降速度、能夠經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫等離子流等方面的需要。

SpaceX火箭回收發(fā)展現(xiàn)狀

近10多年來，美國SpaceX公司在火箭回收上可謂下足了功夫，中間也經(jīng)歷了回收方式的重大變革，比如2012年9月到2013年10月，以蚱蜢系列火箭為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的“跳躍實(shí)驗(yàn)”，通過垂直起落、空中懸停、精準(zhǔn)地返回基座等程序，為后續(xù)回收火箭技術(shù)的成熟提供了諸多有價(jià)值的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

后來，SpaceX公司又延續(xù)“跳躍實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)行了火箭一級(jí)部分整體回收的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果因一個(gè)零件的失誤而失敗。隨后，又在2015年進(jìn)行了三次海上回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都以失敗告終。緊接著，SpaceX公司又進(jìn)行了陸地回收的多次實(shí)驗(yàn)，中間也發(fā)生了數(shù)起降落點(diǎn)不精確、火箭體著陸時(shí)減速不到位、著陸時(shí)角度控制不佳等而發(fā)生的爆炸事故。但是，這些失敗，并沒有阻止馬斯克對(duì)火箭回收的熱忱，反而激發(fā)了他不達(dá)目的不罷休的沖勁，終于在2015年12月第一次成功完成陸地回收火箭，后來又在海上成功實(shí)現(xiàn)回收。

 

來源：網(wǎng)絡(luò)

SpaceX從2015年開始回收火箭。2021年12月22日，SpaceX完成了獵鷹九號(hào)火箭助推器的第100次著陸回收，正巧發(fā)生在該公司第一次回收火箭的周年紀(jì)念日當(dāng)天。目前SpaceX公司已經(jīng)回收火箭194次，其中僅失敗4次，另有5次未回收，成功了185次。目前復(fù)用最多的B1058號(hào)一級(jí)火箭，已經(jīng)成功發(fā)射和回收了15次，B1051、B1060兩枚一級(jí)火箭，也都發(fā)射和回收了14次，還有一大批發(fā)射10次以上的“二手”火箭。這些火箭表面早已煙熏火燎地黑黝黝的，連油漆都不涂了，仿佛一枚枚值得炫耀的“勛章”。

理論上來說，獵鷹九號(hào)火箭可以回收100次，但實(shí)際上可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)數(shù)字，比如發(fā)射和回收14次的B1051，就在今年11月12日完成發(fā)射任務(wù)之后被放棄了。當(dāng)時(shí)它將國際通信衛(wèi)星組織的2顆C波段通信衛(wèi)星Galaxy 31、Galaxy 32送入地球同步軌道之后，就沒有回收一級(jí)火箭，任由它們墜入大西洋。

2022年獵鷹火箭全年發(fā)射次數(shù)達(dá)到61次，比2021年的31次幾乎翻倍。平均每5.98天發(fā)射一次，超額完成馬斯克每周發(fā)射一次的年度目標(biāo)。2022年，SpaceX消耗掉3枚獵鷹箭體。分別是B1066.1箭體（獵鷹重型芯級(jí)），B1051.14（未披露），B1049.11（未披露）。2022年，SpaceX共啟用了6枚全新的獵鷹火箭箭體，包括獵鷹重型的3枚全新箭體，執(zhí)行了4次發(fā)射任務(wù)。其余的57次發(fā)射任務(wù)使用復(fù)用的舊火箭。

我國火箭回收發(fā)展現(xiàn)狀

我國正在開展火箭回收技術(shù)的研發(fā)。從目前來看，我國還不具備火箭回收的成熟技術(shù)體系，主要原因在于火箭的回收，對(duì)火箭的芯級(jí)推重比有很嚴(yán)格的要求，回收的火箭核心級(jí)重量僅有發(fā)射的10%左右，如果一味用大推力火箭，那么在回收時(shí)一啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就達(dá)不到穩(wěn)定的目的。在這方面，SpaceX公司在獵鷹9號(hào)上，采有的是9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)+梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的深度節(jié)流方式，說實(shí)話，我們目前雖然在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上已經(jīng)比較接近美國的水平，但是在箭體技術(shù)方面還差得較遠(yuǎn)，即使能回收那么復(fù)用時(shí)的運(yùn)力水平也會(huì)大幅下降，達(dá)不到從根本上節(jié)約成本的目的。

不過，從航空航天長遠(yuǎn)的效益出發(fā)，我國仍然在默默地進(jìn)行著火箭回收的技術(shù)革新和規(guī)劃論證，從已知的情況看，目前長征6X垂直返回技術(shù)驗(yàn)證火箭已經(jīng)完成立項(xiàng)工作，而長征8R垂直返回火箭也正在開展相關(guān)的研發(fā)工作，從工作的進(jìn)程上看，已經(jīng)超過了歐航局阿麗亞娜6火箭的回收研發(fā)，正在向不斷追趕SpaceX的方向一步一個(gè)腳印前進(jìn)。

2020年12月，我國新一代運(yùn)載火箭長征八號(hào)首飛成功，該研制團(tuán)隊(duì)以垂直起飛和垂直降落為目標(biāo)，圍繞火箭一級(jí)回收在著陸緩沖機(jī)構(gòu)、低空低速的返回段制導(dǎo)、自主控制等回收技術(shù)領(lǐng)域做了試驗(yàn)。除了國家隊(duì)之外，我國民營火箭公司也在進(jìn)行火箭垂直回收相關(guān)實(shí)踐。

 

 

 

 

 

圖 | 我國火箭回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，資料來源：灰機(jī)wiki

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