美國重復使用運載火箭發展分析

胡冬生 劉楠 劉丙利 焉寧（中國運載火箭技術研究院研究發展部）

隨著世界航天的發展，如何提供更加可靠、經濟、快速的航天發射服務是整個航天工業界面臨的主要挑戰之一。運載火箭重復使用是應對該挑戰的重要技術途徑，一直以來就是世界各航天國家和地區的研究熱點，其中美國的研究進展尤為突出，引領了人類在該領域的探索前沿和發展方向。從20 世紀60 年代開始，美國先后提出了多種運載器重復使用途徑和方案，并開展了大量的技術驗證試驗，航天飛機的研制成功是其中的一個高潮。進入21 世紀以來，美國以更為務實的態度和更為經濟的理念推進重復使用技術的研發，對于發動機、制導控制等各項關鍵技術進行了持續研究和驗證，終于在21 世紀10 年代在獵鷹-9（Falcon -9）火箭上率先實現了技術突破和工程應用，也成為其他國家爭相效仿的對象。

1 發展現狀

進入21 世紀以來，美國在運載火箭重復使用方面取得了重要成就，部分火箭已實現回收和重復使用，更多的火箭廠商則提出了重復使用方案并持續推進研究。

“獵鷹”系列運載火箭已實現部分重復使用

獵鷹- 9 火箭是美國太空探索技術公司（SpaceX）研制的部分重復使用兩級中型運載火箭。該火箭全長70m，芯級直徑3.66m，起飛質量549t，以液氧/煤油為推進劑，火箭近地軌道最大運載能力22.8t。獵鷹-9 火箭一級上安裝有柵格舵、著陸支架及單獨的控制系統，在一、二級分離后可通過主發動機再次點火制動減速，具備垂直降落回收的能力，并可在短期內經過檢測、整修再次執行發射任務，據稱最大使用次數為10 次。其整流罩上也安裝有反作用控制系統（RCS）和翼傘系統，可以在進入大氣層后實施減速，并利用回收船來網捕回收和重復使用。

獵鷹-9 火箭一級回收飛行剖面

獵鷹-9 和“獵鷹重型”火箭

“獵鷹重型”（Falcon Heavy）是在大量繼承獵鷹-9 火箭成熟技術基礎上研制的兩級重型運載火箭，采用3 個通用芯級并聯加二子級的構型，起飛時共有27 臺發動機點火，起飛質量1420.8t，是目前運載能力最大的現役火箭。“獵鷹重型”火箭繼承了獵鷹-9 火箭的自主可控回收技術，可以回收3 個芯級，從整體上大幅提升了重復使用率。全箭28 臺發動機中有27 臺能夠重復使用，復用率達到96%。

2015 年12 月- 2020 年11 月，SpaceX 公司已實現了60 余次火箭一級回收，單枚箭體實際使用次數最多已達7 次，整流罩也得到了回收和重復使用。

“超重-星艦”完全重復使用運輸系統持續推進研制

SpaceX 公司在2016 年9 月正式對外公布了“星際運輸系統”（ITS），瞄準人類殖民火星以及星際探索，后逐漸演化成“超重-星艦”（SuperHeavy-Starship）運輸系統。“超重-星艦”運輸系統是一種重型運輸系統，采用兩級構型，由一級“超重”和二子級“星艦”組成，使用液氧/甲烷推進劑。火箭全長約120m，箭體直徑9m，起飛質量5000t，完全重復使用情況下近地軌道運載能力超過100t。

“超重-星艦”系統中“超重”可像獵鷹-9 一級一樣垂直回收，“星艦”可在離軌后利用升力式氣動減速和發動機制動來實現垂直軟著陸；同時，“星艦”取消了傳統的有效載荷整流罩，而采用類似航天飛機的翻蓋式艙門設計，使得“超重-星艦”具備了完全重復使用的能力。SpaceX 公司從2018 年開始先后研制3 個系列的試驗樣機并持續開展試飛工作，包括試飛樣機“跳蟲”（Hopper）、全尺寸原型樣機Mk 系列和SN 系列，不斷改進貯箱生產工藝，并測試其“猛禽”(Raptor) 發動機。目前已實現12.5km 高度試飛，對低速情況下的制導控制進行了初步驗證，還需要對熱防護、高精度制導等技術進行攻關。

“超重-星艦”系統

“火神”運載火箭重復使用方案

為了應對SpaceX 公司“獵鷹”系列火箭的挑戰以及擺脫美國運載火箭對俄羅斯發動機的依賴，聯合發射聯盟公司（ULA）研制了“火神”（Vulcan）火箭。該火箭為兩級半構型，芯級直徑為5m，最多可捆綁6 枚固體助推器，芯一級使用2 臺藍色起源公司（Blue Origin）研制的BE-4 液氧/甲烷發動機。在初始構型中，“火神”火箭二子級采用“半人馬座”(Centaur)上面級，地球同步轉移軌道運載能力約為11t。在新型上面級投入使用后，其運載能力將超越德爾他-4（Delta-4）重型火箭。

“火神”火箭構型圖

ULA 公司根據“火神”火箭可重復使用要求提出了敏感模塊自主返回技術（SMART）。在一、二級分離后，火箭一級發動機將脫離，并在充氣式熱防護罩的保護下再入大氣層，然后依靠降落傘減速，最后由直升機在空中回收。ULA 公司表示推進系統成本占整個一級成本的65%，一級發動機的回收利用將會使一級推進系統成本降低90%，而這種僅回收關鍵部件的方式將比SpaceX 公司回收整個子級箭體的方式更加簡單和易于實現。該技術來源于2007-2008年ULA 公司開展的宇宙神-5（Atlas-5）火箭動力艙段空中回收技術研究，曾利用直升機和翼傘進行過空中回收試驗。ULA 公司聲稱SMART 回收項目只是該公司火箭回收計劃的一個開始，未來還將回收其他火箭組件，以進一步降低發射成本。但目前ULA 公司并未在SMART 回收項目上取得進一步的進展。

SMART 項目工作示意圖

“新格倫”運載火箭子級重復使用方案

為承接軌道旅行、商業及政府載荷的發射任務，藍色起源公司于2016 年9 月正式公布了其正在研制的“新格倫”（New Glenn）運載火箭。“新格倫”火箭包括兩級與三級構型，箭體直徑7m，可用于執行近地軌道或更遠軌道的商業衛星發射和載人飛行任務。火箭一級安裝7 臺BE-4 液氧/甲烷發動機，起飛推力1743t，二、三級采用液氫/液氧推進劑。近地軌道運載能力為45t，地球同步軌道運載能力為13t。

“新格倫”火箭

“新格倫”火箭一級回收

“新謝潑德”火箭一級回收

“電子”火箭一級回收試驗

“新格倫”火箭一級在發射分離后可垂直返回至海上駁船并回收使用，設計重復使用次數可達25次。該方案與SpaceX 公司獵鷹-9 火箭類似，但對一級氣動外形進行了改進，增加了一對滑翔翼，分離再入后可以充分利用氣動力來進行減速和軌跡控制，發動機僅需要一次點火即可實現軟著陸回收，能夠明顯減少返回所需的推進劑消耗。目前，藍色起源公司的垂直回收和重復使用技術已在其“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道運載器上實現，但距離軌道級運載火箭的重復使用還有一定差距。

“電子”運載火箭開展子級回收技術驗證

“電子”（Electron）火箭是美國火箭實驗室公司（Rocket Lab）研制的一型兩級液體火箭，采用電動泵供應液氧/煤油推進劑，3D 打印復合材料貯箱和發動機。全箭直徑1.2m，起飛質量10.5t，500km 太陽同步軌道運載能力為150kg。自2017 年首飛以來，“電子”火箭已成為世界上專門發射小衛星的主力商業火箭。

火箭實驗室公司對“電子”火箭一級進行回收和重復使用的初衷在于能夠更為頻繁地發射火箭。火箭一級在再入大氣層后使用降落傘進行減速，并利用翼傘進行滑翔，最終一架直升機在空中抓取翼傘實現回收。目前，火箭實驗室公司已利用直升機和翼傘對一級結構件進行了多次回收試驗，并在2020 年11 月的發射任務中以傘降減速、海面濺落打撈的方式首次完整無損地回收了火箭一級。

2 關鍵技術研究情況

重復使用運載火箭涉及到發動機深度推力調節、高精度制導控制等關鍵技術，美國各火箭廠家對這些技術開展了持續攻關，并進行了大量的技術驗證。

火箭發動機深度推力調節技術

對于垂直著陸火箭來說，應在著陸的同時使速度降低到著陸所允許的條件，這就要求發動機具有推力調節能力。發動機大范圍改變推力要通過調節多個元件來實現，調節控制規律復雜，同時噴注器、渦輪泵等關鍵組件也要具備相應條件下可靠工作的能力。SpaceX 公司“獵鷹”系列火箭的“灰背隼”（Merlin）發動機采用了單一針栓式噴注器，具有推力調節的天然優勢，經過快速迭代，目前已可實現57%～100%的節流能力，“超重-星艦”系統的“猛禽”發動機采用液氧/甲烷推進劑和全流量分級燃燒循環，可實現40%～100%的節流能力，已通過“星艦”樣機150m 試飛得到了驗證；藍色起源公司在“新謝潑德”運載器BE-3 發動機的基礎上，新研了249t 推力的BE-4 液氧/甲烷發動機，可實現65%～100%的節流能力，為“新格倫”火箭一級的動力垂直回收創造了條件。

返回段高精度制導與控制技術

重復使用火箭返回飛行過程中經歷多個飛行段，每個飛行段均會由于自身結構偏差、內外部干擾和其他不確定性而產生軌跡和姿態偏差甚至失穩，進而影響到最終的著陸精度和安全性。因此，高精度制導與控制技術是實現安全著陸的基礎。不同的著陸回收方式會有不同的制導控制方案，但都離不開在線軌跡規劃和制導控制技術的發展。對于垂直起降火箭來說，最有挑戰的是最后的動力下降著陸制導。SpaceX 公司的獵鷹-9 火箭采用了在線凸優化制導方法，從而能夠實現在零點幾秒內對精確著陸段軌跡規劃問題在線快速求解。基于凸優化的著陸制導算法最早由美國噴氣推進實驗室（JPL）在2007 年提出，隨后在美國馬斯騰空間系統公司（Masten）的垂直起降Xombie 小火箭上進行了多次成功測試。SpaceX 公司對其進行了改進，使其可以應用于考慮氣動力的著陸段制導。同時，為了提供足夠的控制力，SpaceX公司在火箭上安裝了4 片具有較高控制效率的柵格舵和RCS，配合主發動機推力矢量控制并具有較強魯棒性的自適應控制算法，為火箭在各飛行段提供姿態穩定和控制。此外，“獵鷹”系列火箭整流罩上也安裝了RCS 和控制設備，以保持返回過程中的姿態穩定，為開傘創造良好的條件。

氣動外形優化設計技術

傳統的一次性使用運載火箭均為柱狀構型，執行上升段飛行任務時主要承受軸向力的作用。而對于需要再入回收的重復使用火箭來說，為了減小飛行載荷、降低氣動熱以及便于利用氣動力進行軌跡控制，往往對箭體外形進行了優化設計。SpaceX 公司的“星艦”從2016 年以來一直在進行外形優化，翼的數量和形狀經過了四輪較大的變化，到2019 年開始才逐漸固化，形成了前后兩對翼均可沿與箭體對接面擺動的方案，能夠提供更大的控制能力，大大拓寬了“星艦”的再入飛行通道，有利于適應不同的再入返回任務；“新格倫”火箭自2016 年首次發布后，一級外形也于2017 年進行了改變，箭體尾部增加了兩片滑翔翼，使得再入過程中可以實現更為平緩的飛行，有助于改善再入飛行環境，同時降低了對發動機起動次數和推進劑消耗的需求。

再入熱防護技術

火箭一級分離再入的馬赫數一般為Ma7 ～8，而從軌道再入的“星艦”的馬赫數可達Ma20 以上。以這樣的高超音速再入，為了保證箭體不會因氣動加熱而燒蝕損壞，將結構和設備的溫度控制在允許的范圍內，必須采取一定的熱防護措施。鑒于不銹鋼材料在低溫下的高強度、高熔點和低成本的特點，SpaceX 公司將“星艦”的材料由復合材料換成了改良型不銹鋼，僅在迎風面安裝了一層較薄的輕質隔熱片，并輔以其他散熱措施，從而大大增強了熱防護能力；ULA 公司“火神”火箭一級動力艙在分離后使用了充氣式防熱罩，利用柔性防護材料使動力艙在再入過程中免受氣動熱流的侵襲和燒蝕，該技術曾被NASA 作為大質量火星探測任務的儲備技術，并開展過多次亞軌道飛行演示驗證。

快速檢測與維護技術

火箭回收后要經過檢測、維修和加注才能再次執行發射任務。回收后檢測與維護技術直接關系著成本維護和發射周期，是降低成本、提高快速響應能力的關鍵。為了達到快速檢測與維護的目的，SpaceX公司一方面從設計入手，改進“獵鷹”火箭著陸支架的閉鎖裝置以實現快速復位，將發動機機架從焊接式連接改為螺栓連接，以方便拆解、檢查和維護等；另一方面，采用了健康管理的理念，尤其是發動機的健康監測和故障診斷，大大減少了回收后檢測和評估的工作量；此外，“獵鷹”火箭一級在海上平臺回收后還使用了機器人來對箭體進行固定，提高了安全性和響應速度。目前，獵鷹-9 火箭一級最短再次發射時間間隔已縮短至51 天。

3 發展趨勢

綜合美國各航天企業所做的重復使用運載火箭研究項目，以及關鍵技術研究情況進行分析，美國重復使用運載火箭遵循先一級重復使用后完全重復使用、多種回收方式并存但更傾向于動力垂直回收、火箭研制理念持續革新的發展途徑。

由易到難，先部分重復使用再到完全重復使用

人類對重復使用火箭的實踐研究在單級完全重復使用、多級完全重復使用和多級部分重復使用之間多次反復。實踐證明，完全重復使用超越了時代和技術，在當前的技術條件下是無法實現的。即使是多級完全重復使用，由于火箭末級以軌道速度再入，其承受的再入力/熱環境是一級的數倍，在控制、熱防護、材料等方面的研制難度則又呈數量級增加，遠不如一級重復使用來得實際。同時，運載火箭一級費用占火箭整體費用的50% 以上，即使僅實現一級重復使用也能使火箭發射費用得到可觀的降低，同時為末級火箭回收積累技術和實踐經驗。因而，由易到難，先實現一級重復使用、再逐步探索多級完全重復使用，直至單級完全重復使用，已成為業界的發展策略。

中大型運載火箭更加傾向于動力垂直回收方式

從歷史上看，運載火箭的回收大體可分為傘降回收、升力式回收和動力垂直回收三種方式。早期的運載火箭回收通常采用降落傘減速、海面濺落的方式，這樣的方式不具有改變飛行軌跡的能力，返回過程中箭體承受的載荷環境較為惡劣，著陸精度差，對回收和重復使用不利，且由于降落傘尺寸的限制，不能適應較大箭體的回收。升力式回收大多為水平著陸，多停留在概念設計或技術驗證階段，對現有火箭設計的改動較大、結構復雜，需要增加一套單獨的航空發動機系統，或利用自身動力飛回發射場，造成結構干質量增加、運載能力損失較大，且對著陸場的條件要求較高，相對固化的返回飛行剖面也使得其任務性能無法在更大程度上優化，在航天發射方面的效益并不突出，其發展前景還不明朗。動力垂直回收則可以在很多方面改善上述問題，通過發動機多次點火減小飛行載荷、提高著陸精度，同時其對現有火箭設計的改動最小，因而率先得到了工程應用，且更加適用于中型及大型運載火箭的回收。

革新運載火箭研制理念，更好地適應回收和重復使用

當前，傳統的運載火箭從外形上看基本均為圓柱狀，前端有整流外形。這樣的火箭主要為動力上升入軌而設計，在飛行過程中箭體主要承受軸向載荷，對法向載荷的承受能力較弱，且在大氣層內飛行時速度不高，氣動加熱相對來說不明顯，也不用考慮回收后的維護和檢修。但對于需要回收的火箭一級而言，其在大氣層內飛行的速度要大于上升段，且為了利用氣動力來調節飛行軌跡，返回過程中一般會施加一定的攻角，甚至采用具有一定升阻比的外形，因而箭體還需要承受一定的法向載荷，載荷工況更加復雜，氣動熱效應也更為明顯，此外回收后檢測維護和重復使用也將對火箭設計產生重要的影響。因此，重復使用運載火箭的設計有別于傳統的一次性運載火箭，應著眼于全任務剖面、全生命周期的研制理念，既要滿足上升段飛行要求，也要考慮返回段的復雜載荷工況、氣動控制、熱防護以及多次重復使用的檢測維護、疲勞載荷等因素，運載火箭研制理念正在經歷新一輪革新。

4 啟示

運載火箭重復使用發展越來越清晰，逐步由夢想走向現實

自人類進入航天時代以來，運載火箭重復使用就一直是人類孜孜以求的夢想。縱觀21 世紀美國的重復使用運載火箭，多采用部分重復使用的兩級入軌方案，回收的技術方案主要集中在動力垂直回收和傘降空中回收兩類，相對于單級入軌重復使用火箭來說，大大降低了技術難度，增強了工程可實現性，因而在制導控制等技術取得進展的21 世紀10 年代獲得了突破，首先實現了火箭部分重復使用的夢想。并在此基礎上，進一步進行入軌級回收和重復使用的研究，瞄準最終實現完全重復使用。在美國重復使用火箭帶來的壓力下，俄羅斯、歐洲、中國、日本、印度等國家和地區也持續推進重復使用火箭的技術研究，甚至一些私營航天公司也加入了研制的行列，重復使用已成為航天運輸領域的研究焦點。

重復使用火箭將帶來世界航天發射業務的巨大變化

運載火箭重復使用技術的最大優勢是發射價格的降低和發射頻次的提高。由于研制生產能力和火箭使用次數的限制，一次性運載火箭的研制周期長、發射價格高。世界航天近幾年的年均發射次數一般在一百余次，僅能滿足各主要國家和地區基本的政府、軍事、民用和部分商業需求，市場潛力遠未得到開發。若火箭實現重復使用后，一發火箭回收后通過簡單維護就可以多次使用，大大降低了對生產線的要求，縮短了履約周期。同時，通過多次使用、費用均攤降低了發射價格，生產線的減少也有利于基建成本的降低。低廉的發射價格和高頻次的發射機會將提供更加經濟、快捷、高效的發射服務，刺激衛星用戶需求的增加，促使人類更加頻繁地進入和利用空間，促進新型太空經濟業態的產生。

發揮航天企業潛力，創新機制，應對重復使用技術新挑戰

通過分析美國重復使用火箭的研制進展可以看出，私營航天公司的推進進度明顯快于傳統航天企業，其中SpaceX 公司已實現了多次一級和整流罩重復使用，火箭實驗室已開展了多次一級傘降回收試驗。傳統航天企業更多依賴政府背景，承接了大量的政府訂單和任務，雖有技術積累，但在重復使用火箭研究方面的動力和投入力度不足。而私營航天公司更多的是以生存和盈利為目的，在火箭研制中既要考慮自身技術基礎，更要考慮商業運營、算經濟賬，對重復使用技術的創新應用正是契合了這一思路。目前，SpaceX 公司的火箭發射已成為國際商業發射市場的主導力量，發射價格屢創新低，發射頻次卻逐漸攀升，對各傳統航天國家和地區的運載火箭發射業務造成了巨大沖擊，體現了私營航天公司的靈活性和創新性。因此，對于傳統航天企業而言，應該積極擁抱新技術、應對挑戰，學會使用商業思維來創新機制、整合優勢資源，快速推進重復使用火箭的研發，這不僅是提高競爭力、大力開拓商業市場的必經之路，更是人類積極開發太空、打造太空經濟的重要途徑。