火箭回收新玩法:“空中捕獲”一子級

文/ 王瑞 楊開

▲ 兩架直升機飛到預定高度,一架直升機搭載了測試用的火箭一子級的模擬件，另一架直升機安裝了抓取用的捕獲機構

▲ 模擬一子級從高空釋放，降落傘打開

▲ 安裝捕獲機鉤的直升機瞄準，準備捕獲

2020 年4 月8 日，火箭實驗室公司宣布成功測試了其在半空中抓住從天而降的電子號火箭第一級的能力，從而向實現該級回收和重復使用邁出了關鍵一步。該公司稱，3 月初在新西蘭進行的一次試驗中，一架直升機把電子號火箭第一級的一件復制品帶到了空中并予以投放。該級隨后展開了一部降落傘，爾后在約1524 米的高空配備了抓鉤的另一架直升機鉤住了降落傘。這架直升機最后掛載著火箭返航著陸。

發展出現瓶頸 產能需求提高

火箭實驗室作為商業小型運載火箭研制和小衛星發射服務領域的領跑者，自2017 年以來，已經使用其自主研制的電子號兩級液氧/煤油火箭完成了11 次發射任務，除首次發射因地面設備故障導致失敗以外，已經連續成功發射10 次，累計將40 多顆微/小航天器送入預定軌道。

自公司成立以來，火箭實驗室瞄準了為小衛星提供快速進入空間的能力，其目標是每周進行1 次發射。為了實現上述目標，火箭實驗室擴大自身產能，于2018 年在新西蘭建設了新的火箭制造工廠，引入自動化制造設備，提高生產效率，具備每月生產1 枚電子號火箭的能力。同時，火箭實驗室配套建設新的發射設施，在新西蘭瑪西亞半島發射場內建設第二個發射臺，在美國沃勒普斯建設新的2 號發射設施。到2020 年底，火箭實驗室將擁有3 個發射臺，具備同時實施3 枚電子號火箭發射的能力。除了產能和配套的發射設施外，火箭實驗室還從美國聯邦航空局的商業航天運輸辦公室獲得了為期5 年的發射許可，可開展多次電子號火箭的發射，保證在政策法規流程上開展快速發射的可行性。

一子級回收三步走

盡管火箭實驗室已經在很大程度上提升了自身產能，但是距離每周發射1 次的目標還有很大差距，為了彌補產能不足，火箭實驗室提出了“一子級回收計劃”，通過復用火箭一子級，實現硬件的快速周轉。而火箭實驗室的火箭復用是通過一子級傘降回收來實現。

第一步，利用再入制導控制確保一子級結構完整性

和太空探索技術公司的“獵鷹9”火箭一子級自帶動力返回方案不同，電子號火箭一子級沒有進行再入反推減速，而是通過調整姿態，將熱防護部位朝下，應對再入過程中嚴苛的熱環境。這種再入方式下的力熱載荷會對一子級產生比較嚴重的影響，火箭實驗室將這一過程形象地稱為穿“墻”。為保證順利穿“墻”，需要通過制導控制對飛行姿態和再入路徑進行調整，以保證一子級結構的完整性。根據“火箭實驗室”公布的信息，電子號一子級再入過程中采用反作用控制系統（RCS）作為制導控制的主要手段，該系統使用冷氣推力器。

2019 年12 月，電子號火箭在成功執行其第10 次發射任務時，首次嘗試進行“一子級再入”試驗。本次試驗并沒有對一子級進行回收，而是在火箭上增加了新的飛行計算機和S 波段遙測技術，收集一子級再入大氣層時的相關數據。發射結束后，“火箭實驗室”也發布消息稱：電子號火箭一子級完美穿“墻”，遙測信號直到海平面才斷掉。

2020 年1 月，火箭實驗室在進行第11次發射時，再次嘗試進行“一子級再入”試驗，與第一次再入實驗一樣，火箭一子級成功完好再入，直到撞上海平面。

第二步，利用降落傘實現一子級減速

▲ 接近目標，嘗試“空中捕獲”

▲ 成功捕獲模擬一子級

▲ 返航

▲ 安裝捕獲機鉤的直升機瞄準，準備捕獲

▲ 火箭實驗室公司首席執行官彼得·貝克

“火箭實驗室”在成功進行再入制導控制技術的驗證后，短期內不會再對一子級再入過程進行干預，而是將重點轉移到降落傘上，因為電子號火箭一子級完成大氣層再入后，需要展開降落傘進行減速，目標是將一子級下降速度從每小時7000 公里降到每小時900 公里。“火箭實驗室”的首席執行官彼得·貝克在2020 年2 月時表示已經完成首個降落傘系統的原型。相比再入過程的制導控制，利用降落傘進行減速則相對簡單，不涉及復雜的控制技術，重點是將成熟的降落傘技術集成到一子級上。

目前，“火箭實驗室”正在對一子級進行改進，把降落傘系統集成進去。彼得·貝克表示，2020 年的第7次或者第8 次任務（“電子號”總的第17、18 次發射）中，電子號火箭一子級將安裝降落傘，降落傘在約6 公里的高度展開，完成減速效果驗證后，濺落到海面上進行回收。

第三步，利用直升機捕獲，實現一子級回收

如果第二步利用降落傘減速的過程順利，最后一步就是在空中捕獲使用降落傘減速的一子級，其難點是：半空精確抓捕。

2020 年3 月初，火箭實驗室公司向火箭回收和重復使用邁出了關鍵一步，成功測試了空中捕獲電子號火箭一子級的能力。此次試驗是在新西蘭因疫情而戒嚴之前進行的，由兩架直升機參與測試試驗。這兩架直升機分別部署在2438 米高空和1524 米高空。一架直升機下方掛載模擬一子級，在2438米的高度釋放該模擬件。釋放后，模擬一子級上的降落傘成功展開，使其緩慢下降。而安裝捕獲裝置的直升機在大約1524 米的高度成功捕獲模擬件。本次測試試驗是“火箭實驗室”首次嘗試直升機空中捕獲。

后續，在實際的發射任務中，火箭實驗室公司進行一子級回收時，一子級自帶的降落傘將在距地面約6096 米處打開，這意味著直升機飛行員有20分鐘左右的時間在空中嘗試捕獲，如果失敗，一子級就會墜入海中。為了增大成功率，公司將進行預判，預先將直升機停在捕獲位置。

本次捕獲試驗的成功，也標志著“一子級回收計劃”中的第三步是可以實現的，并非空想。

▲ 電子號火箭

▲ 電子號火箭整流罩上美國宇航局的標識

▲ 火箭實驗公司和太空探索技術公司兩種不同的火箭回收方式

▲ 沃勒普斯發射場內2 號發射設施

“火箭實驗室”與太空探索技術公司回收比較

如果“火箭實驗室”的“一子級回收”成功的話，意味著火箭實驗室就成為繼太空探索技術公司后，美國第二家掌握回收技術的私營商業公司，但這兩家公司的火箭回收方式實有不同。

回收方式不同

太空探索技術公司的“獵鷹9”火箭一子級回收方式是垂直回收，即：一子級在降落過程中，導航器會進行引導，間歇點火，逐漸使一子級下降，最后在著陸前，一子級發動機產生反推力，將相對速度降至接近0 的狀態，最終使用四個支架平穩著陸。

而火箭實驗室公司則是使用直升機來對火箭一子級進行回收。這里還要說明的一點就是，用直升機來回收火箭一子級，天氣因素是不得不考慮的重要條件，但火箭實驗室公司有自己的發射場，想什么時候發火箭就什么時候發，就憑這一點，也足夠讓其他公司羨慕不已。

回收目的不同

太空探索技術公司重復使用火箭一子級是為了降低生產成本，而“火箭實驗室”發展“一子級回收”技術的目的是為了加快發射頻率。正如“火箭實驗室”對外宣稱的，生產火箭的時間太長，一枚火箭需要花費將近30 天的時間才能完成，這有悖于公司“進行快速的火箭發射，提高發射頻率”的目標。公司發展一子級回收技術，通過一子級翻新和重復使用減輕工廠的生產壓力，可以更頻繁地進行發射，同時降低每次發射任務的生產成本。

▲ 新西蘭瑪西亞半島發射場

回收技術不同

電子號火箭一子級使用的下降技術為“火箭實驗室”獨有，它被稱為“航空熱減速”技術，本質上是利用地球大氣的摩擦力來使一子級減速。下降到一定位置后，一子級自帶的降落傘將在頂部展開，使其進一步減速，最終直升機會在下降過程中，在空中對其進行抓取捕獲。為了確保回收成功，“火箭實驗室”也在后勤保障上做足準備，公司有2 艘大船、1 艘回收船和3 架直升機。

作為商業小運載企業的領跑者，“火箭實驗室”的發展勢頭一直很好，從沒遇到過資金短缺問題。公司從2006 年開始運營，一共進行過5 輪融資，最近一次融資是在2018 年11 月，融得1.4 億美元，目前大部分資金還在公司賬戶里，并沒有使用。此外，由于“火箭實驗室”運營情況良好，除了私營商業公司不斷的與其簽訂發射合同外，更有美國偵查局、美國國防部高級研究計劃局、美國空軍、美國宇航局等政府機構與其簽訂發射訂單。

本次“空中捕獲”試驗的成功，意味著“火箭實驗室”的“一子級回收”計劃已經成功進行了2/3。待“一子級回收計劃”實施后，可以使“火箭實驗室”的發射頻率加快，減少生產成本，使公司將更多的精力投入到新產品的研制中，成為名副其實的多元化航天公司。