“獵鷹”9號首次回收功虧一簣可重復使用火箭初見端倪

士 元

“獵鷹”9號首次回收功虧一簣可重復使用火箭初見端倪

士 元

2015年1月10日，“獵鷹”9號火箭升空

2015年1月10日，美國“獵鷹”9號火箭率先進行了2015年世界航天的首次發射。此次發射有兩大任務：一是把第五艘載貨型“龍”飛船送入太空，為國際空間站運送補給物資；二是首次試驗回收“獵鷹”9號火箭的第一級。結果，第一項任務雖順利完成，但第二項任務功敗垂成，火箭第一級雖然垂直降落在預先準備的海上浮動回收平臺上，但是沒能軟著陸，而是硬著陸，結果火箭和平臺全部損毀。

不一樣的火箭

“獵鷹”9號火箭和它所發射的“龍”飛船都是由美國太空探索技術公司研制的，用于商業載人天地往返運輸。其中“獵鷹”9號火箭從2002年開始研制，設計理念是簡化結構，消除或將故障最少化；主要特點是高可靠性、低成本和快速響應；最終目標是打造世界第一種二級可重復使用運載火箭。

“獵鷹”9號是一種采用液氧/煤油作為推進劑的二級火箭，總高68.4米，直徑3.7米，有三種構型：一種是安裝5.2米直徑整流罩，用于發射衛星；另一種是用于發射“龍”飛船；還有一種是大型運載火箭，即在“獵鷹”9號的基礎上捆綁2臺液體助推器（由“獵鷹”9號第一級改進而成），可發射大型航天器。“獵鷹”9號的近地軌道運載能力為9.9～32噸，地球同步轉移軌道運載能力為4.9～19.5噸。

該火箭的電子設備具備單點故障冗余能力，這主要是通過廣泛使用三重冗余設計而實現，包括三重冗余飛行計算機、發動機計算機和閥門控制器。其導航功能既使用GPS，也使用慣性測量裝置。

“獵鷹”9號第一級安裝了9臺“隼”1號C發動機，目的是在第一級火箭飛行過程中，即使單臺發動機從始至終未能點火工作，或在第一級工作末期多臺發動機關機時，“獵鷹”9號火箭仍能完成發射任務，這是一大創新，且已被實踐證明可行。“隼”1號C發動機是一種再生冷卻、泵壓式燃氣發生器循環火箭發動機，每臺發動機的推力617千牛，比沖304秒，具有高可靠性和低成本的特點。另外，即使“獵鷹”9號火箭在發射臺上點火后，仍會被系留在發射臺上2.5秒，以監測每臺發動機的健康狀況。如果檢測到異常，可中止發射任務。其第二級由單臺“隼”1號C發動機提供動力。除改用了性能優化的加大直徑、膨脹比高的鈮合金噴管外，它幾乎與第一級的“隼”1號C發動機完全一樣，節流能力強，可將發動機的推力調節至額定推力的60%～100%，使得火箭能夠降低有效載荷的加速度，更加精確地將其送入預定軌道。

“獵鷹”9號火箭第一級的9臺發動機

“獵鷹”9號火箭第一級的4個著陸支架

“隼”1號C發動機的“心臟”采用低成本針栓式噴注器，其應用使發動機變得堅固和簡單。該噴注器易于制造且廉價，包含的零部件數量也非常少，具有抗噪性好、對環境要求不高、在大范圍的操作環境下穩定性好的特點。另外，其推進劑貯箱由鋁鋰合金制成，比傳統的鋁質推進劑貯箱質量更輕且剛度更強。“獵鷹”9號火箭頂端和外層也全部采用超強度鋁鋰合金材料制造，且增加了特制的防熱板，用以保護火箭在重返地球大氣層時免遭損壞。

太空探索技術公司的發射操作原則是顯著地減少操作人員以及在發射場消耗的時間，所以發射“獵鷹”9號火箭時操作既簡單又高效，并具有較高的成本效率，其標稱的發射操作時間為16天（從火箭運抵發射場開始）。

為了滿足載人飛行的要求，“獵鷹”9號火箭主結構的安全系數高達1.40（一般火箭為1.25）。火箭發動機及其布局也提升了火箭的可靠性。由于價格便宜、可靠性高，能以每次5000萬～6000萬美元的發射價格支持航天發射任務，所以“獵鷹”9號火箭現在已獲得大量航天器發射訂單，供不應求。

2015年1月10日的這次發射是“獵鷹”9號火箭的第七次發射，也是其第五次為國際空間站執行物資運送任務，于北京時間17∶47升空，17：52進行第一級與第二級火箭分離，18：01進行第二級火箭與“龍”飛船的分離，隨后“龍”飛船太陽能電池板成功展開，并按預定計劃進入了空間站的對接軌道。至此，此次發射的第一項任務，也是最主要的任務宣告成功！

“首吃螃蟹”惜敗

這次發射的第二項任務雖是次要任務，但更令人關注，因為是首次回收“獵鷹”9號火箭的第一級到海上浮動回收平臺上。其成功的標準：一是第一級火箭能以超音速度從太空返回地球；二是證明火箭上的著陸支架對火箭上升段沒有影響；三是二次重啟主發動機來減速；四是用氮推力器實現第一級垂直返回的姿態控制；五是成功打開著陸支架；六是以接近零的速度精確著陸在指定的海上浮動回收平臺上。該平臺被稱為“自主航天港無人駕駛船”，長91米，寬52米，裝有可移動平臺的推力器，這個在深海鉆井平臺基礎上改進而成的平臺即使遇到風暴，其位置保持精度也能控制在3米以內，它還具備為返回的第一級火箭加注燃料的能力，以便重復使用。

眾所周知，航天發射成本長久以來居高不下，運送質量為1千克的物質上天的成本至少為1萬美元，重要原因就是發射航天器的運載火箭是一次性使用的。由于“獵鷹”9號火箭的總造價約為5000萬美元，而其推進劑的成本只有20萬美元。如果能重復使用，就可以大大降低成本。如果能回收并重復使用第一級，可節省資金在80%；如果第二級也能回收并重復使用，發射成本將降至當前的1%。

世界上第一個以火箭發動機為動力、垂直起降的完全重復使用運載器“三角快帆”

另外，回收火箭還能保障地面人員和財產的安全，因為現在的火箭發射時被拋下的部件中，除了第三級火箭外，其他部件會因為高度不足，無法完全燃燒而成為殘骸降落到地面或水面，不可避免地會有火箭殘骸落入民居從而損壞財物，甚至傷人。回收火箭也可以保護環境，因為一些火箭燃料是有毒的，每次發射后會殘留一些，這些殘留燃料會隨著火箭落地而污染環境。如果能回收第一級甚至第二級火箭，就可使火箭殘骸不會砸在地面和水中完全解體，也就不會讓剩余燃料更多地污染環境。所以，回收運載火箭意義重大，但風險也很大，是人類在航天探索中又一次“吃螃蟹”。萬事開頭難，這次“獵鷹”9號火箭的第一級已垂直降落在海上浮動回收平臺上，不過它在最后一步時出現問題，硬撞在回收平臺上，從而導致著陸失敗。

火箭回收技術發展

要實現運載火箭的可重復使用，回收技術是關鍵。據權威專家介紹，目前火箭回收技術有四種方案：第一種是降落傘垂直下降方案，即在火箭分離后先進行空中制動變軌進入返回地球大氣層的返回軌道，接著在低空采用降落傘減速，最后打開氣囊或用緩沖發動機著陸；第二種是動力反推垂直下降方案，其空中變軌制動同第一種，但在低空采用發動機反推減速，以垂直下降方式降落地面，“獵鷹”9號火箭即采用這種方案；第三種是無動力滑翔飛行水平降落方案，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭依靠翼身的氣動力滑翔飛行，像飛機一樣水平降落返回地面；第四種是有動力滑翔水平降落方案，即箭體采用裝有渦噴發動機的翼式飛行體，在返回地面過程中可啟動渦噴發動機進行巡航機動飛行，可實現更大范圍的回收區選擇。

美國航天飛機是目前世界上惟一實現可回收的航天運輸器，并能部分重復使用。它由助推器、軌道器和外貯箱三大部分組成。助推器相當于運載火箭的第一級，它在分離后飛行速度不大，所以沒進行空中變軌制動，回收采用降落傘垂直下降方案。軌道器相當于運載火箭第二級，飛行速度較大，在返回地球大氣層之前進行變軌制動來降低飛行速度并改變飛行方向（調整姿態返回），航天飛機軌道器是翼式飛行體，回收采用無動力滑翔飛行水平降落方案，它能像飛機一樣水平滑翔降落于預定回收地點的機場跑道上。外貯箱是一次性使用設備，不能回收。美國航天飛機在回收技術上取得了巨大成功，但由于風險大、費用高而退役了。

其實，早在20世紀90年代末期，美國麥道公司就開始用“三角快帆”（又叫“德爾他快帆”）飛行器試驗動力反推垂直下降技術。“三角快帆”是世界上第一個以火箭發動機為動力、垂直起降的完全重復使用運載器。它進行了4次飛行試驗，最大飛行高度3155米，然后像直升機一樣，用4臺小發動機反推減速，最終達到平穩著陸的目的。后來由于在第四次飛行試驗中“三角快帆”被燒毀，使該計劃提前結束。不過，“三角快帆”的垂直起降試驗表明，火箭采用動力反推垂直下降技術是可行的。然而，要實現運載火箭的垂直起降需攻克三大關鍵技術。

“獵鷹”9號火箭第一級回收時著陸裝置展開

“蚱蜢”火箭成功垂直著陸

第一是控制火箭姿態。因為越是細長的東西，越不好控制其姿態，要使細長的箭體垂直精確著陸在指定地點就更難。在返回過程中，“獵鷹”9號第一級火箭是通過箭上的液氮推力器來調整姿態的，以應對氣動扭矩和旋轉的影響，使其幾乎沒有任何滾轉，在降落過程中一直與地面保持垂直狀態。有人形容其難度猶如“在狂風中讓掃帚柄直立于手掌上”。另外，箭體上還有4個可展開的側翼，用于通過GPS衛星制導來協助控制火箭朝平臺降落，使其最終落地的精度在10米以內。2015年1月10日的這次返回，“獵鷹”9號火箭第一級的落點相當準確。

第二是火箭發動機要具有推力可調和多次啟動的功能。為了動力反推，火箭多帶了一些燃料。在第一級返回的不同高度，火箭質量會隨著燃料快速消耗而明顯減小，所以其反推發動機需要采用不同大小的推力，以實現軟著陸。“獵鷹”9號是通過部分主發動機的二次點火來減速的。在火箭主發動機的控制軟件中設置了矢量推力點，它能控制火箭的下落速度。在火箭升空約3分鐘時，其第一級與第二級火箭分離，此后第一級要二次重新啟動火箭部分主發動機，以制動減速。第一次重啟旨在降低第一級的降落速度，使其能夠降落到距離卡納維拉爾角數百千米的大西洋海面；當第一級火箭快要落入大西洋時，再重啟它的另一臺發動機，以進一步減速。最終要使火箭的速度由初始的1300米/秒減到2米/秒。另外，在第一級接近海上浮動回收平臺前，安裝在第一級底部的4個著陸支架要打開，它由碳纖維和鋁蜂窩板制成，高約7.62米，帶有液壓減震器，可進一步減少垂直著陸時的巨大沖擊，從而在回收平臺上軟著陸。著陸后8秒內，箭上計算機仍要不斷傳回信號，直至第一級呈現水平狀態時為止。在2015年1月10日第一級的回落過程中，“獵鷹”9號很可能沒有控制好速度，導致其與回收平臺發生碰撞。

第三是運載火箭發動機要能重復使用，且每次飛行后只需經過簡單維修和加注就能再次發射。目前的運載火箭發動機都是一次性使用的，只有航天飛機實現了部分重復使用。航天飛機的軌道器可重復使用100次，軌道器上的主發動機可重復使用50次，固體助推火箭可重復使用20次。但航天飛機的軌道器在每次飛行后，要經過幾個月的維修并耗費大量資金。所以，必須研制出像普通飛機發動機那樣的可重復使用火箭發動機，且每次回收后的維修成本和時間必須很少才行。

加拿大機械臂-2捕獲載貨型“龍”飛船

在海上回收載貨型“龍”飛船

探索鑄就輝煌

首次回收“獵鷹”9號第一級火箭失敗在預料之中。美國太空探索技術公司CEO馬斯克在發射前就表示，回收的成功率不會超過50%。發射后，馬斯克說，“回收接近成功，但最終功虧一簣，希望將來一切都好”。太空探索技術公司最初在研制和發射“獵鷹”1號火箭時，前三次發射都失敗了，但經過不斷地改進，第四次發射終于成功了。此后，發射的“獵鷹”9號火箭全部獲得成功。正是這種不怕失敗的科學探索精神成就了該公司的宏圖偉業。

其實，在此之前，太空探索技術公司已進行過大量的火箭動力反推垂直下降試驗，其中包括多次發射只裝有1臺“隼”1號D發動機的“蚱蜢”火箭，其第一次回收時的飛行高度為73米，然后成功著陸；此后回收時的飛行高度逐步增加，現已達到744米。今后有可能依次增到1524米、2286米、3505.2米等。

2010年首次發射“獵鷹”9號火箭時，配備了降落傘以減緩第一級落入海洋時的速度，但第一級火箭沒能挺過再入大氣層時遭遇的空氣阻力。2013年9月，升級之后的“獵鷹”9號火箭在首次執行發射任務時，曾經嘗試過在水上回收第一級火箭，但由于發動機燃料供應不足，從而使火箭第一級砸在水面上而四分五裂。在2014年4月試驗中，“獵鷹”9號第一級已能降至懸停程度，成功地實現了歷史上第一次火箭的軟著陸，但該火箭隨后在公海上側翻并毀壞，以致無法修復。在2014年7月的試驗中，對“獵鷹”9號第一級火箭進行了軟著陸測試，即它在接近海平面時被調整成水平方向，目的是希望可以完好無損地回收，但海水破壞了箭體，因而也無法重復使用。在這些回收試驗中，回收的著陸精度在10千米以內。而在2015年1月10日的回收試驗中，著陸精度要求為10米，因為火箭第一級要落在海上浮動回收平臺上。

今后，太空探索技術公司還將試驗回收“獵鷹”9號火第二級的技術。其第一級由亞軌道垂直返回，由于第二級飛得高，所以難度更大，回收再入大氣層時需要熱防護系統保護才行。

華盛頓大學空間研究院教授羅杰斯頓認為，可重復使用火箭極具吸引力，因為它可使每次發射的費用大大降低，這就意味著能設計比現在便宜得多的衛星，而不必再花費大量資金來確保其長壽命的工作狀態，因為發射費用很便宜，如果衛星壞了，再發射一顆填補空缺便是”。英國金斯頓大學火箭實驗室主管貝克博士也有同感，他表示，如果能夠將火箭發射費用成功降低50%以上，那么更多的太空應用將會變得可能。

2017年將投入使用的載人型“龍”飛船

也有人擔心“獵鷹”9號重蹈航天飛機覆轍。當年設計開發航天飛機的初衷也是通過研制可重復使用的航天器來降低費用，然而航天飛機技術和維護的極度復雜性讓這種節約成本的初衷完全成了泡影。歐洲咨詢公司的維蘭認為：“火箭發射市場的客戶們并不關心火箭的可重復使用性，他們要的是在盡可能便宜的情況下實現高可靠的發射服務。”她說：“可重復使用性是服務提供方面臨的問題，而不是客戶面臨的問題。衛星運營方一般而言只有三個大的要求：按時，保質，價格合理。”美國洛克希德·馬丁公司發射服務部主管克利夫表示，回收火箭是一個天方夜譚。因為回收火箭涉及材料科學、控制，還涉及運行效率。關鍵是若要回收某種東西，就得把更多的物體和重量發射入軌。這必須對物理定律做更多的研究才能做到。

但不管怎樣，美國太空探索技術回收運載火箭的試驗已經邁出了堅實的第一步，成功地攪動了火箭工業界。即使不重復使用，“獵鷹”9號發射成本也很低，并可提供全套的發射服務，包括任務綜合費用、發射場費用和附加費用。這些已讓傳統火箭發射的供應商感到威脅，為此歐洲2014年開始研發下一代新型火箭“阿里安”6號，以提供具有競爭力的價格，但該火箭仍是一次性使用的。如果今后“獵鷹”9號可以重復使用，那么一切都不在話下。回收火箭究竟是天方夜譚還是一種可以實現的夢想呢？也許現在是天方夜譚，但未來未必是。

太空探索技術公司還擬搶在美國航空航天局之前，率先研制出“重型獵鷹”火箭。該火箭可以把質量達53噸的有效載荷送到近地軌道，且很便宜，并能滿足載人航天的條件，有望于2015年首次試射，引起航天工業的重大變革。該公司也在考慮研制更為強大的火箭—“超級獵鷹”，其運載能力將是“重型獵鷹”的3倍。借助這種火箭，無論是重返月球、進軍火星或者其他更遠的天體都沒有問題。馬斯克希望在10～20年內率先把航天員送上火星。

在“龍”飛船研制方面，太空探索技術公司也采用了創新設計和技術。“龍”飛船可以客貨兩用，分載貨型和載人型兩種。這樣設計的好處是可以降低風險，節約成本。因為該公司可先通過發射多艘載貨型“龍”飛船來掌握飛船的主要技術，降低研制載人型“龍”飛船的研制難度和風險，并及早獲得商業利益（它還是目前惟一可以返回的貨運飛船，因而能帶回一些空間站上的實驗樣品等）。然后以此為基礎，花較少的費用和時間就能研制出載人型“龍”飛船。為了確保“龍”飛船能快速從貨運艙轉換成乘員艙，除了乘員逃逸系統、生命保障系統和允許乘員利用飛行計算機控制船載控制系統外，載貨型“龍”飛船的貨艙和載人型“龍”飛船的乘員艙在結構上幾乎是相同的。另外，未來的“龍”飛船另一大特點是不像目前的飛船只能使用1次，而是可重復使用10次。

從長遠看，研制可重復使用的火箭和飛船還可使人類探訪甚至移居其他星球的夢想成真。現在載人航天最大的瓶頸之一就是成本太高，限制了進入太空的人數。如果可重復使用航天技術取得實用性進展，未來將會大大加速人類進入太空的步伐。

責任編輯：劉靖鑫