獵鷹－9火箭第一級首次成功回收

?

獵鷹－9火箭第一級首次成功回收

First Successful Recovery of Falcon-9 Rocket's First Stage

2015年12月22日，美國太空探索技術公司（SpaceX）用獵鷹－9（Falcon－9）火箭成功發射了軌道通信公司的11顆小型通信衛星。這不僅是獵鷹－9火箭自2015年6月28日發射失敗以來的首次發射，而且是升級版獵鷹－9火箭的首次使用。更重要的是，獵鷹－9火箭在世界上首次成功進行第一級有動力垂直回收，從而在人類歷史上率先驗證了軌道運載火箭的回收技術，為未來打造可重復使用運載火箭、大大降低運載火箭發射成本奠定了重要技術基礎。

1 意義重大

眾所周知，目前的運載火箭都是一次性使用的，所以長久以來航天發射成本居高不下，發送質量1kg物質上天的成本約為1萬～2萬美元，大大影響了人類開發太空的規模和效益。比如，作為目前世界上最便宜的獵鷹－9火箭總造價約為5000多萬美元，而其推進劑的成本只有20萬美元，因此，如果能夠回收火箭，然后重復使用，可以極大降低發射成本。所以，美國太空探索技術公司自設計之初就一直在研究如何回收以及重復使用獵鷹－9火箭的相關技術。據悉，如果能回收并重復使用獵鷹－9火箭的第一級，可降低火箭成本80%；如果第一、二級火箭都能回收并重復使用，則可降低火箭成本99%。太空探索技術公司總裁伊隆·馬斯克曾表示，可重復使用火箭將使空間進入成本降低2個數量級。

首次成功回收火箭是研制可重復使用火箭的第一步，以后還需多次試驗，由成功變為成熟；今后還要突破和掌握回收第二級火箭技術，從而奠定可重復使用火箭的基礎；最后要突破和掌握只需低成本維修后的重復發射技術。

另外，由于可重復使用火箭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，只需再發射一顆填補空缺即可。

2 升級改進

2015年12月22日發射的是首枚升級版獵鷹－9火箭，其主要改進是：第一級火箭增加了液氧箱和煤油箱的長度，提高了推力；第二級火箭加長了0.5m，用于增加推力，減輕第一級的工作負擔，以便回收第一級；火箭總高度增加了約1.5m，達到70m；第一級發動機改用推力增加了16%的隼－1D，每臺隼－1D海平面推力為756kN，真空推力為825kN，；第二級發動機改用推力增加了17%的隼－1D-Vac，其真空推力為935kN；加注的液氧溫度降低到－207℃（比液氧的沸點－183℃還要低），以提高推進劑密度，將液氧的加注量提高8%～15%，從而提高了火箭的運載能力；煤油的溫度也從室溫降至－7℃，在粘度不影響燃料特性的前提下，其密度提高了2.5%～4%；火箭第一級和第二級之間的級間連接也進行了改進，以容納新型發動機真空噴嘴，具有一個中心推桿，以輔助級間分離；火箭總推力提升了約30%。這些改進使火箭可將質量更大的通信衛星送至地球同步轉移軌道（GTO），并仍留有足夠的推進劑以執行著陸回收試驗。

3 三種方案

要實現運載火箭的可重復使用，回收技術是關鍵?；鸺幕厥辗绞揭话阌腥N方案：降落傘垂直下降式、動力反推垂直下降式和滑翔飛行水平著陸式。

1）降落傘垂直下降方案。它是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。這種方案與回收飛船返回艙和返回式衛星類似。

2）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，美國獵鷹－9火箭采用的就是這種方案。

3）滑翔飛行水平著陸方案，其箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭像飛機一樣水平返回地面。這種方案又分為有動力和無動力兩種，前者是采用裝有渦噴發動機的翼式飛行體，在返回地面過程中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（與蘇聯暴風雪號航天飛機著陸類似）；后者完全依靠翼身的氣動力滑翔飛行，向飛機一樣水平著陸（與美國航天飛機著陸類似）。

據悉，中國運載火箭技術研究院也一直致力于火箭回收技術的研究。2015年11月下旬，該院成功完成了運載火箭子級回收群傘空投試驗，這標志著我國運載火箭在部段回收技術上取得了新的進展，離實現可重復使用又近了一步。中國運載火箭技術研究院擬采用降落傘垂直下降方案來回收火箭。未來，火箭的芯一級還將增加“返航”設計，通過攜帶供自身返回的燃料，自主飛回預定區域，以備重復利用，從而降低運載火箭的發射成本。

4 兩大技術

獵鷹－9火箭成功實現動力反推垂直下降，主要攻克了兩大關鍵技術。

1）控制火箭姿態和落點精度。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。獵鷹－9通過箭上的氮推力器調整姿態。獵鷹－9火箭箭體上有4個可展開的柵格翼，它用于通過GPS衛星制導來協助控制火箭朝著陸地點降落，使其最終落地的精度在10m左右。柵格翼可以在大氣飛行過程中利用氣動力進行姿態穩定控制。其滾轉通道和傾斜通道是相互獨立的，通過開式液壓系統作動，液壓油從高壓貯箱流經作動機構后直接排出箭體外部。

2）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火箭是通過部分主發動機3次點火制動來減速的。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。

值得注意的是，采用動力反推垂直下降來回收火箭是以增加一些成本和損失一些發射航天器質量為代價的。另外，回收后是否能夠只經過簡單維修和加注燃料就可再次發射是一個更大的挑戰。如果維修成本太高，就達不到大大降低火箭發射成本的目的，可部分重復使用的美國航天飛機就是一個典型例子。雖然美國航天飛機技術先進，運載量大，但因成本高，風險大，所以提前退役了。

獵鷹－9箭體上的柵格翼

5 返回過程

獵鷹－9火箭第一級發射約3min（約80km高）與第二級分離，速度達馬赫數為10，它滑行至140km的最高點。分離后，第二級發動機點火持續約7min，以達到軌道速度，然后與有效載荷分離。與此同時，分離后的第一級采用低溫氮氣推力器進行姿態控制，使第一級擺脫第二級的尾焰羽流，并使48m高的第一級調轉方向，從而使第一級發動機保持正確的點火方向，以返回著陸場。

在發射后4.5min，第一級火箭第1次重啟部分主發動機，以降低第一級的降落速度，并控制與著陸點之間的距離，使其能夠降落至距離發射場不足10km處。進入大氣層后，第一級進行第2次點火，持續大約20s，高度約為70km。通過點火反推和大氣層的阻力，速度從1300m/s降至250m/s。在再入大氣層過程中，由于第一級底部較重（帶有發動機），會保持發動機向下的姿態，而發動機熱防護罩經過處理能夠經受住再入的熱環境。在著陸之前，第一級的中心發動機進行第3次點火，將第一級速度降至2m/s。另外，在第一級著陸前10s，安裝在第一級底部的4個著陸支架要打開，它由碳纖維材料和鋁合金蜂窩板制成，高約7.62m，總質量為2.1t，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。在飛行過程中，支架收起附著在箭體上并覆蓋了氣動外殼以降低阻力。在著陸時，支架展開以提高穩定性，減緩沖擊。支架的展開動作依靠高壓氦氣作動的氣動系統實現。著陸后8s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。在再入開始階段，第一級會用4個柵格翼進行滾轉、俯仰和偏航控制，保持第一級的穩定。

升級版獵鷹－9火箭的第一級成功著陸

6 成功原因

2015年1月和4月先后進行的回收獵鷹－9火箭第一級的試驗雖然都失敗了，但也已接近成功。

2015年1月10日，獵鷹－9火箭在執行“國際空間站”貨運任務中試驗回收火箭第一級技術。第一級火箭在發射后，落向大西洋上的海上著陸平臺，雖然準確地命中目標，但由于下降速度過快，導致火箭在甲板上發生爆炸。失敗的主要原因是火箭液壓油不足，從而導致其4個穩定柵格翼無法有效發揮作用。

2015年4月14日，獵鷹－9火箭在執行“國際空間站”貨運任務中再次試驗回收火箭第一級技術，雖然第一級火箭準確著陸在海上回收平臺甲板上，但由于橫向速度過大，火箭未能在甲板上穩穩站立，最終導致傾覆爆炸。

這些失敗都沒影響太空探索技術公司尤其是馬斯克繼續試驗的決心。2015年1月和4月2次試驗失敗的原因分別是火箭穩定翼用光了液壓控制油以及節流閥響應滯后，使48m（約14層樓高）長的火箭第一級沒有受到充分控制，在著陸時翻倒并撞向海上回收平臺，但火箭第一級在從太空返回地面時能夠得到精確控制。

太空探索技術公司在2015年12月的回收試驗中進行了多項改進。例如，采用了升級版獵鷹－9（又稱獵鷹－9v1.2）執行發射任務。與此前的獵鷹－9v1.1相比，獵鷹－9v1.2增加了動力30%，從而可在發射有效載荷后，仍有較大動力使火箭第一級在著陸平臺上降落并回收。另外放棄了之前在海上回收平臺上回收的做法，而改為在陸地上回收，這是因為陸地回收面積大，且穩定不晃動，氣象條件更好，能明顯降低回收難度?；厥罩憟鍪翘仗剿骷夹g公司從美國空軍租賃的卡納維拉爾角已退役的發射場，該著陸場在過去被稱為發射綜合設施－1－3，太空探索技術公司將其重新命名為著陸綜合設施－1。固定平臺已標記上X標志，作為著陸點。

7 技高一籌

這次獵鷹－9回收成功與美國另一家民營航天企業藍色起源公司有一定關系，因為藍色起源公司的“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道火箭于2015年11月23日率先實現了回收。對比傳統一次性火箭，“新謝潑德”推進段增加了環形和鰭形穩定翼、多個減速板，以及液壓系統驅動的尾翼，尤其是尾翼可在約馬赫數為4的高速下工作，保證下降過程中的穩定性。

從技術角度來看，獵鷹－9的回收比“新謝潑德”復雜得多，因為獵鷹－9又細又長（長48m，有助于減少火箭飛行時的阻力），而“新謝潑德”顯得身材粗壯，只有20m長。長細比越大，控制難度就越大；獵鷹－9用于發射宇宙飛船和人造衛星，而“新謝潑德”只是一種類似探空火箭的亞軌道火箭，沒有發射航天器的能力，用于開展商業太空旅游體驗。與“新謝潑德”相比，獵鷹－9飛行高度高2倍，推力大15倍。太空探索技術公司總裁馬斯克指出：進入太空與進入軌道是不同的，“新謝潑德”進入太空只需Ma 為3左右的速度，獵鷹－9進入地球同步轉移軌道則需要Ma為30左右的速度。二者的能源需求也大不相同，進入太空需要9個單位的能量，進入地球同步轉移軌道需要900個單位的能量。即使這樣，“新謝潑德”的回收成功也給太空探索技術公司帶來了前所未有的壓力，迫使太空探索技術公司對獵鷹－9的回收進行了較大改進，降低回收難度，最終獲得了成功。

“新謝潑德”火箭接近地面時展開著陸支架　

獵鷹－9火箭接近地面時展開著陸支架

8 2016年概況

2016年1月18日，獵鷹－9v1.1火箭首次在美國范登堡空軍基地進行發射，把美歐合作的賈森－3 （Jason－3）衛星成功送入軌道。之后，在太平洋上的海上回收平臺進行了第一級火箭回收試驗。試驗沒有成功，原因是著陸速度太快，火箭部分著陸支架折斷，火箭砸在海上回收平臺上。

2016年第二季度，美國太空探索技術公司將發射近地軌道運載能力達53t的首枚“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭，并進行第一級火箭與助推器的回收試驗。這對未來耗資巨大的載人火星飛行、地外星球表面火箭重復利用等至關重要，因為如果回收成功并能降低成本重復使用，則可以大幅降低載人火星任務的成本。

一旦“獵鷹重型”火箭成功發射并回收，太空探索技術公司可能會在2016年公布該公司的載人火星計劃。相比美國航空航天局（NASA）公布的2035年實現載人火星登陸，太空探索技術公司想搶先一步，在2025年實現載人登火星，馬斯克本人也想登陸火星。

今后，太空探索技術公司還將試驗回收獵鷹－9火箭第二級的技術。其第一級由亞軌道垂直返回，但由于第二級飛得高，速度更快，回收再入大氣層時需要熱防護系統保護才行，所以回收難度更大。另外，第二級上只有一臺發動機，因此回收是否合算也需綜合考慮。

美國政府在“三角快帆”等垂直起降重復使用驗證機相繼失敗后，更多地關注了試驗型太空飛機－1等帶翼水平返回的重復使用技術方案。2015年12月太空探索技術公司在這一技術方案上的成功，可能會很大程度上影響到未來重復使用技術發展的方向。

司馬光/文