□李大光



愈挫愈奋“猎鹰-9”火箭着陆回收又一次尝试

□李大光

1月18日，美国太空探索技术公司（SpaceX）在加利福尼亚州范登堡空军基地，用“猎鹰-9”火箭成功将Jason-3海洋观测卫星送入轨道。但在随后的海上回收试验中，没能延续此前陆地成功回收的好运。如果此次“猎鹰9号”能够成功实现海上着陆，将为公司创下第二座里程碑。去年12月，SpaceX成功让一枚“猎鹰-9”一级火箭返回至卡纳维拉尔角空军基地的一个着陆平台上，成为航天领域具有里程碑意义的重大事件，标志着可重复使用火箭技术迈出了一大步。

运载火箭回收经历了艰难的探索

去年，美国私人航天企业太空探索技术公司的升级版“猎鹰-9”运载火箭搭载11颗通信卫星，于美国东部时间12月21日晚从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，更具意义的是在发射10分钟后第1级火箭成功着陆地面平台首次实现安全回收。从而向航天人几十年的重复使用运载火箭的梦想又迈进了一大步。

让运载火箭在海面平台上着陆的概念已提出了几十年，但此前从未有过这种尝试。2011年，SpaceX提出了“垂直起飞，垂直降落（简称VTVL）”的一级回收复用方案。一级火箭分离后，在再入大气层过程中重新开启三台发动机减速，在接近地面的时候打开4个支撑腿，并启动一台发动机，通过发动机推力的控制，使火箭垂直降落在着陆场上。这个相当“科幻”的重复使用概念，早在1990年就已经提出，麦道公司(1997年并入波音)在1991—1996年间，曾经开发了两型“德尔塔”快帆验证机，对相关技术进行飞行验证。不过，“猎鹰-9”一级火箭的飞行高度和速度、控制难度，远超出了“德尔塔”快帆的已验证范围。

从2012年开始，SpaceX利用“蚱蜢”技术验证机，在德克萨斯州试验场开展VTVL技术试验。在先后8次的飞行中，最高飞行到了744米，并成功降落。但是，“猎鹰-9”火箭一级分离时，速度高达10马赫，高度在45千米以上，还面临严重的推进剂不沉底、气动载荷、姿态失控、高空横风等问题，这些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦无法验证的。当年5月22日，“猎鹰-9”从卡拉维拉尔角发射场把美国太空探索技术公司研制的“龙”飞船第二次送入太空。10月8日，“猎鹰-9”从卡拉维拉尔角发射场把美国太空探索技术公司研制的“龙”飞船第三次送入太空。

2013年12月3日，美国太空探索技术公司的“猎鹰-9”1.1型运载火箭在卡纳维拉尔角空军站发射了卢森堡欧洲卫星公司(SES)的SES-8商业通信卫星。这是“猎鹰-9”火箭首次用来发射静地轨道商业通信卫星，标志着太空探索公司正式进入了商业航天发射市场，有可能打破全球商业发射服务业的原有格局，因而备受各发射服务商和卫星运营商的关注。本次发射是“猎鹰”9火箭2010年以来的第7次发射，也是“猎鹰-9”1.1型火箭的第二发射。

2014年1月6日，空间探索技术(SpaceX)公司在卡纳维拉尔角空军基地成功发射“猎鹰-9”火箭，将“泰通-6”商业电信卫星成功送入地球同步转移轨道。4月18日，SpaceX公司在利用“猎鹰-9”火箭和“龙”太空舱执行国际空间站货运补给任务过程中成功实施了火箭第一级“软着陆”试验。“猎鹰-9”火箭第一级降落到大西洋，但遭遇风浪袭击损毁，未能完整回收。7月14日，太空探索技术(Space X)公司的“猎鹰-9”火箭成功将6颗轨道通信公司的“机对机”通信卫星发送至低地球轨道。此次发射同时还对相关技术进行了测试，以实现SpaccX公司重复使用“猎鹰-9”火箭第一级以节省成本的目标。SpaceX公司计划利用此次发射测试回收程序，包括：多级火箭分离后重新定向第一级，在海上降落、从佛罗里达海岸回收之前展开着陆支架。2014年，“猎鹰-9”运载火箭第一级两次成功在海面垂直平稳落水，为后来的试验打下一定的基础。

2015年1月10日，美国太空探索技术公司成功向国际空间站发射了龙飞船，后者正为该公司执行向国际空间站第五次运货任务。但此行的另一个任务——“猎鹰-9”运载火箭第一级海上回收尝试以失败告终，火箭在海面浮动平台硬着陆并损毁。此次发射中最令人关注的是“猎鹰-9”运载火箭的第一级能否首次在没有锚定的海面浮动平台上精准着陆。6月28日，美国太空探索技术公司(SpaceX)发射一枚“猎鹰-9”运载火箭执行国际空间站货运补给任务，火箭升空2分半钟后突然爆炸解体，事故导致为空间站运送约2吨物资的龙飞船也陨落，携带约2500公斤补给的货舱也被炸毁。这是该公司第七次空间站货运任务，原计划第三次尝试让火箭第一级垂直降落在海上一艘无人船上的尝试再次失败。这是SpaceX公司自2012年以来第8次执行空间站补给物资运送任务，也是第一次失败。

去年底发射是6月“猎鹰-9”运载火箭升空后爆炸解体、补给空间站任务失败之后的首次发射。此前，致力于研发新一代可重复利用的火箭推进系统的SpaceX曾两次尝试一级火箭在大西洋的海上漂浮平台上着陆并回收，但火箭或直接坠入大海或因硬着陆而爆炸损坏，所以均告失败。为提升地面回收的成功率，SpaceX使用了升级版火箭，并将着陆点从海洋转移到陆地，从而获得了成功。今年1月18日“猎鹰-9”第三次海上回收的视频显示，在“猎鹰-9”的一根着陆支架未能锁定之前，此时火箭已经精准的降落到海上驳船上，导致箭体翻倒继而引发爆炸。SpaceX CEO 埃隆·马斯克称，“猎鹰9号”海上着陆失败的“根本原因或是火箭在升空时，大雾凝结造成了冰集聚所致。”

2015年4月，美国军方“御用”航天公司“美国发射联盟”（波音和洛马公司合资组建）在一次发布会上公布了其新一代军用运载火箭部分设计详情。这种新型运载火箭被定名为“火神”，新型火箭具有两大先进技术，首先其第一级发动机可重复使用，其次它的第二级火箭在完成任务后可停留在轨道充当加油站，允许其他航天器与其对接并获得燃料补给。预计这两项技术将在2023-2024年后达到实用水平。

回收运载火箭的技术难度极大

如果人类能掌握火箭回收与重复使用技术，未来航天发射的成本有望大大降低。此前，没有第一级火箭被回收重复利用的先例。SpaceX首席执行官埃隆·马斯克曾形容火箭使用的浪费程度，就和一架波音747客机仅作了单趟的跨大陆飞行就将它报废一般。造价高昂的火箭自此摆脱“一次性”用品角色，从而大幅缩减太空旅行花销，预期发射成本将降低99％。

目前，全世界绝大多数运载火箭都是一次性航天工具，其第一级火箭在完成分离后会坠落到陆上无人区或空旷海域，不可重复使用。这次回收到底有多难呢？运载火箭回收试验有两大难点：一是让火箭第一级在分离后垂直下降，其难度就像在暴风雨中让一根扫帚平稳地直立在手掌上。二是精准降落在没有锚定且只有足球场大小的浮动平台上极其困难，其着陆精度要在10米以内。太空探索技术公司在发射前谨慎承认，该试验的成功率最多只有50％。因此，回收火箭首先要解决火箭着陆精度问题，要能够回收到预定地点。其次，火箭要以垂直的姿态降落，必须解决姿态控制问题，越是竖长的物体，越难以控制。此外，要解决减速问题，必须是软着陆，又不用降落伞，所以只能用反向推力装置。而且，回收的过程是一个变速过程，因为火箭的燃料越来越少，所以在这个变速过程中如何始终解决好以上的几大问题，难度非常高。据称，可靠控制是由两部分组成的，一部分是位于火箭上端的栅格舵，另一个就是发动机本身。

SpaceX吸取了之前几次失败的教训，将以上三个方面控制得很好。同时，调高了安全系数，之前的几次发射计划都被推迟，就是要把所有可能出现的问题都解决掉，并等待最好的气象条件。还有一个重要原因，这次回收从某种程度上讲是降低了一定的难度，放弃了之前的海上平台回收，而选择在陆地回收。SpaceX此次没有选择通过海上平台去回收火箭，而是直接在地面上回收。陆地上气象条件更好，回收面积也可以更大，平台更稳定。还有就是增加了火箭动力，从而可利用额外动力使火箭第一级在着陆平台上降落并回收。不过，在陆上降落可能意味着火箭在空中飞行更长，消耗的燃料更多。

严格来说，“猎鹰-9”运载火箭并非第一枚实现回收的火箭，而是第一枚成功实现回收的轨道运载火箭。因为去年11月24日，亚马逊CEO杰夫·贝索斯旗下太空公司BlueOrigin成功将New Shepard火箭发射到约100.5千米的高度，火箭随后又成功返回发射场。这是全球第一个发射升空后又完好无损返回地面的火箭。

那么，相对于上述可回收火箭，“猎鹰-9”运载火箭又先进在哪里呢？“猎鹰-9”的目标是将有效荷载运送到近地轨道，而New Shepard的目标只是将乘客送往亚轨道。New Shepard是试验型亚轨道火箭，无论从飞行高度还是速度都和进行轨道发射的运载火箭不是一个量级。而“猎鹰-9”是一枚成熟的业务型轨道运载火箭，如何把有效载荷安全、可靠、经济地送入轨道，是它首先要考虑的问题，回收系统必须是在经济可承受范围内的试验。而New Shepard则是一枚试验性质的火箭，可以把更多的重量放在这次软着陆上。另外，“猎鹰-9”运载火箭第一级的长径比远远大于前者，控制难度更大，回收难度更大。

总体上看，世界各国在重复使用运载火箭方面的研制仍处于起步阶段。从垂直回收技术上来看，在回收过程中要通过火箭发动机在推力和方向上的不断调节和调整来进行精确控制。这就需要运载火箭的推力有大范围的推力调节能力，这对燃烧、涡轮泵、阀门等各组件要求很高。还需要解决大长径比的发动机垂直降落的姿态控制、支撑结构设计等一系列难题。更重要的是，回收系统不仅要能够实现基本功能，还要达到相当高的可靠性。另外，其重量、体积必须最小化。否则，它对于火箭来说是一个巨大的“累赘”。

可靠的回收只是火箭重复使用的第一步。火箭的重复使用对于发动机核心部件的性能和寿命提出了更高要求。目前火箭发动机的设计寿命、试车时间都是以秒为单位计算。对于一次性使用的火箭来说，保证材料和相关设计在短时间能顶得住是一个问题，而确保长寿命使用又是另外一个问题。美国航天飞机的主发动机的燃烧室压强高达207个大气压，燃烧室的工作温度约为3300度(目前最先进的涡扇发动机涡轮前温度不到1700度)，其一个小小的涡轮泵的功率就是目前最先进主战坦克发动机功率的数十倍。让这样的发动机顺利工作一次就已经非常困难，而要重复使用多次，那么对材料和工艺的要求将上一个巨大的台阶。

具有里程碑意义的标志性事件

研发可重复使用的火箭，大幅降低发射成本，可谓业界长久以来的梦想。以往的运载火箭都是一次性使用，成本很高，就好比一架波音747从纽约飞到洛杉矶之后就必须再重新制造一架。更为重要的是，可重复使用的火箭有助于人类实现前往火星的载人任务，搭载登陆火星的宇航员重返地球。可见，火箭成功自主回收具有跨时代意义，称得上是航天发射史上的一次里程碑事件。

从发展的角度来看，重复使用将是未来运载火箭发展的必然趋势，无论在商业上还是在军事上都有巨大的价值。去年年底人类首次成功回收轨道运载火箭，是人类迈开运载火箭回收的第一步。这次的成功只是一个开始，意味着这项技术具有可行性，但想要真正掌握这一技术，还需要通过多次试验验证其可靠性，由成功变成成熟。一级火箭回收是第一步，接下来要验证火箭的发动机是否可以重复使用，不过美国有着回收并重复使用航天飞机的经验和技术储备。美国在掌握了这项技术之后，还将进一步验证回收二级火箭的可行性。一旦这些技术可以完全实现，将大大降低航天发射成本，使人类航天发射的最大难题得到突破。如果回收并重复使用第一级，可以降低成本80％，而如果能回收并利用第二级将可以降低成本的98％。

不过，目前回收乃至重复使用火箭仍存在不小的挑战。一次成功不代表完全掌握，距离技术成熟更有不小的距离。而火箭回收之后，能否经过简单修理，就可以加注燃料再次使用，这还需要验证，美国之前的航天飞机就是因为回收之后维修的费用太高，加之航天飞机本身的费用太高，所以不得不放弃，因此这又是一道很大的难关。除了火箭的回收技术本身以外，还要提高火箭发动机的使用寿命。目前的火箭发动机，只需要工作几十分钟，然后就弃之不用了。实现可重复使用，对发动机的结构、材料性能都是一个巨大的考验。

美国太空探索技术公司SpaceX的“猎鹰-9”运载火箭顺利完成首次垂直回收，这在世界航天史上写下浓重一笔，为运载火箭的重复使用奠定了基础。由于回收火箭的巨大好处，除了美国之外，欧洲、日本甚至印度都在对相关技术进行预研。2015年1月5日，法国航天局宣布，已开始与德国等政府开展小型技术研究项目，研制未来的液氧/甲烷燃料的可重复使用火箭级。10年前，法国曾与俄罗斯开展合作项目“贝加尔”，寻求可用于欧洲和俄罗斯火箭的可重复使用技术。随后，法国航天局官员总结出配备可重复使用第一级的火箭系统每年需要发射40次才能确保该工作的价值，项目就遭到了搁浅。

中国一直在关注全球航天领域技术发展的最新趋势。如今，运载火箭垂直着陆的可重复使用方案已在国外经过飞行试验验证这对于中国航天来说无疑是一个机遇，同时也是一个不小的挑战。目前，我国火箭可重复使用技术仍然处于探索阶段，尚未实现工程应用。我国的载人飞船也是采用垂直着陆方式，因此，我国的火箭可重复使用技术研究或将建立在垂直升降技术基础上。然而，重复使用的火箭对基础工业和材料工业的要求将达到一个空前高度，而这正是中国航天业的薄弱点。可以说，进行重复使用运载火箭的技术论证和研究工作，这是对中国航天工业的一个新考验。（作者单位为国防大学）