對運載火箭回收技術的思考與分析

陳章瑞

摘 要 將運載火箭回收技術分為氣動減速和反推減速兩大類，介紹了降落傘回收、有翼飛行器著陸回收、燃料反推垂直著陸回收等回收技術，并分析了各種回收技術的優點和缺點。其中特別對使用效果良好的垂直著陸回收技術進行彈道和著陸姿態分析，并提出技術改進建議以及對中國運載火箭使用垂直著陸回收技術的建議，以期給垂直著陸回收技術的發展提供方向。

關鍵詞 運載火箭；回收技術；垂直著陸；可重復使用

中圖分類號 V1 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）231-0140-03

自1957年蘇聯使用改裝后的P-7洲際導彈發射第一顆人造衛星以來，運載火箭已經成為人類探索宇宙的主要工具。運載火箭技術要求高，但迄今為止幾乎所有的運載火箭均只能使用一次，這導致其價格極為高昂。以歐洲的阿麗亞-5號運載火箭為例，其近地軌道發射成本達每千克10？000美元。因此，人類要想大規模地開展空間探索，就需要盡可能地降低發射費用。要達到這一目標，有兩個途徑：一是降低制造技術的成本，這需要突破性的技術發展，在短時間內顯然難以實現；二則是對航天器的重復利用以降低發射成本。最早的能重復利用的航天器——航天飛機，雖然實現了軌道器和助推器的重復利用，但是維修成本高昂，事故率高，最終在2011年退役；此后英國、德國、美國相繼提出過空天飛機或兩級入軌的方案，均沒有投入實際運用。但在2015年，美國SpaceX公司成功對其火箭“獵鷹9號”的一級進行了回收，由此，人們將火箭回收的研究重點逐漸轉向對單個子級的回收。這種回收方式基于當下成熟的火箭技術開發，因而較空天飛機等構想更為可靠與實用。此外，傘降回收也是比較常用的部件回收方法。

本文通過對運載火箭回收技術進行分類分析，梳理了不同的回收方式，分析了現階段可行的運載火箭回收技術發展方向，希望給火箭回收技術的發展提供參考。

1 運載火箭回收技術分類

運載火箭回收的最大難點就在于要讓箭體在不過多影響全箭飛行參數的情況下，從與上面級分離位置起，經過一系列的操作進行減速、調姿，最后穩定地著陸在指定位置。要使箭體返回地面，需要通過降低飛行速度改變彈道。著陸時應保證速度足夠小，落點足夠準確。顯然，要想降低飛行速度，方法有兩種：一種是通過利用空氣阻力或升力減速，即氣動減速；另外一種是通過燃燒燃料減速，即反推減速。在載人航天工程返回艙著陸時，一般采用兩種模式結合的方法，運載火箭回收技術也可以借鑒。

1.1 氣動減速回收運載火箭

氣動回收主要有降落傘回收、有翼飛行器滑行著陸兩種方式，下面均以現有航天器部件為例進行說明。

降落傘回收方式主要用于對返回精度要求不高且著陸場較大的工況。以航天飛機助推器（SRB）為例[1]，試驗開始后，SRB在122s與主箭體分離，在197s達到飛行最大高度67km，此后經自由飛行、開減速傘、開主傘等一系列流程，最終濺落在距離發射場220km的海面上，并由專門的打撈船進行回收。SRB的濺落速度約為23m/s，高于航天器穩定著陸的速度（載人航天器6-10m/s，無人航天器10-14m/s），會對運載火箭本身造成結構損傷。因此，要想提高運載火箭重復利用的次數，應該將火箭濺落或著陸速度降得更低。著陸速度受結構質量和降落傘面積決定，SRB的降落傘主傘共有3個，每個直徑45m，質量已超一噸，顯然降落傘難以繼續增大。因此，要想利用降落傘回收重型火箭的第一級或助推器，存在技術難度。

有翼飛行器滑行著陸主要適用于航天飛機的軌道器、空天飛機等飛行器。俄羅斯赫魯尼切夫空間中心設計的“貝加爾”助推器采用可旋轉翼面，使翼面在助推器分離后展開，并運用航空發動機推進著陸。相比于航天飛機，在運載火箭助推器上安裝翼面會導致其運載能力損失極為嚴重，為了控制最終落點而安裝航空發動機會導致其結構復雜，因而使用價值很低。此外，美國Rotary公司的Roton飛船采用由直升機改裝而來的旋翼推進器著陸，最終也沒有投入使用[2]。

由此可見，氣動減速回收技術雖然技術難度小，種類多，應用也較為廣泛，但是受到其本身技術原理的限制，減速效果不能滿足陸地或海上平臺回收的速度要求，無控制著陸落點精確度低，因而不能作為未來大規模探索宇宙時化學燃料火箭回收的主要方式。

1.2 反推減速回收運載火箭

反推減速主要是在火箭一二級分離后，一級通過燃燒剩余的燃料調整姿態和軌道，并控制箭體著陸在指定位置的過程。一般的運載火箭都采用垂直著陸的方式，以減少著陸時對火箭氣動結構的磨損。反推減速目前已經得到廣泛應用并且已經多次成功。以美國太空探索技術公司（SpaceX）為首的多家公司已經完成了可回收火箭的測試甚至已經投入使用。反推減速需要讓火箭通過自身推進系統改變飛行方向，回到發射場附近，對火箭推進系統和控制系統提出了較高的要求。

2 垂直著陸回收運載火箭技術的簡單分析

2.1 飛行彈道分析

垂直著陸回收運載火箭時，根據點火方向和姿態調整方向的不同，彈道主要分為兩種：第一種是調整箭體使其彈道傾角增大，從更高的高度返回地面；第二種是調整箭體使其向下運動，從發射軌跡下方返回地面。如果對運載火箭的飛行過程作出以下簡化：

1）忽略地球曲率；

2）把箭體的飛行過程簡化成在二維平面內的運動，即高度-位移二維。

則對于飛行過程中的任意一點，以發射場所在位置為原點，建立高度-水平位移坐標系分析箭體運動，其受力分析如圖1所示。

2.2 著陸狀態分析

箭體著陸末段，需要通過反推減小著陸瞬間速度，同時利用支架緩沖，防止發動機產生磨損[4]。如果參考SpaceX火箭的著陸支架，對著陸瞬間箭體狀態進行如下簡化：

1）認為箭體在具有穩定傾角的平臺上著陸；

2）把箭體的飛行過程簡化成在二維平面內的運動，即高度-水平位移二維；

3）將箭體的4個著陸支架視為二維平面內等效的兩個二維支架。

則對箭體進行受力分析，并標注箭體尺寸，如圖3所示。其中，a為箭體半徑，b為著陸支架足墊到箭體中心線的距離，H為箭體重心到著陸支架足墊的垂直距離，α為著陸平面與水平面的夾角，θ為箭體徑向與水平面方向的夾角。N1、N2分別為兩個等效著陸支架受到的支持力；f1、f2分別為兩個等效著陸支架受到的摩擦力。

3 對垂直回收運載火箭技術的展望

垂直回收技術因其基于現有化學推進火箭技術發展而來，與現有火箭技術適配度較好，因而適用于大多數現有火箭。由分析可知[5]，對于低軌道發射任務，箭體回收時過載較小（約為4-5倍重力加速度），對于箭體的結構強度要求較小，適用度較高；而對于高軌道任務，箭體回收時過載較大，技術難度較高，可能對箭體產生一定程度的磨損。而鑒于目前大多數發射任務目標軌道均較低，火箭回收技術應在數年之內得到廣泛普及。針對現有垂直回收火箭技術，可提出的建議如下：

1）對于彈道調整的思考：由2.1節分析可知，可將運載火箭部件著陸回收場與發射場分開，在箭體分離后自由飛行的落點附近進行回收。這樣，火箭剩余燃料僅用于調節火箭姿態和小幅度的減速，不用使全箭速度反向，可以使相同的一級火箭用于推進的燃料更多，推進效率有所提高。

2）對于著陸瞬間姿態調整的思考：在著陸瞬間，箭體將會受到強大的沖擊力。如果箭體不是以90°角度恰好垂直著陸，在橫向上還會有受力，因此對箭體的橫向結構提出了一定要求。由于箭體本身具有抗風、抗壓能力，因而可以承受小范圍角度著陸時的橫向力；但如果著陸角度過大，箭體結構會受損，同時受箭體幾何外形所限，甚至可能發生側翻。因此，對箭體的著陸角度和速度控制有較高要求。對于箭體著陸速度控制，可在著陸前的短時間內，由測距裝置測量到目標著陸點的距離和到地面的垂直距離，由此對發動機進行適當節流；對于著陸姿態控制，可由前述測量裝置輸入的數據計算彈道，并將調姿指令傳遞給氣動舵面（如柵格翼），以調整著陸角度，可通過如圖4所示的操作方法進行控制。

3）基于中國現有運載火箭“長征”系列進行發展。從酒泉、太原和西昌發射的火箭，部件落點多位于中部山區，可能進入居民區。因此，在一級分離后，箭體可利用預留的少部分燃料返回著陸場。西昌衛星發射中心一級落區主要在貴州省內，山勢復雜，不利于垂直回收；酒泉、太原兩發射場附近地勢較為平緩，更適于垂直回收。文昌衛星發射中心臨海，海上平臺可用于回收一級火箭。對于長征7號或長征5號等重型運載火箭，也可運用1）中的自由飛行微調著陸的方法，在落點區（黃巖島附近）設置回收著陸平臺，回收助推器和一級火箭。長征五號火箭執行GTO軌道時一級落點在第一島鏈以外，海面更適于著陸。

參考文獻

[1]錢學森.星際航行概論[M].北京：科學出版社，1963：264-266.

[2]王辰，王小軍，張宏劍，等.可重復使用運載火箭發展研究[J].飛航導彈，2018（9）.

[3]高朝輝，張普卓，劉宇，等.垂直返回重復使用運載火箭技術分析[J].宇航學報，2016，37（2）：145-152.

[4]王海洋.重復使用運載火箭著陸機構及著陸動力學仿真研究[D].南京：南京航空航天大學，2018.

[5]胡冬生，張雪梅，劉丙利，等.重復使用火箭垂直回收任務彈道分析[J].導彈與航天運載技術，2018（5）：21-26.