“拾荒”界的“扛把子”

人類第一次發射火箭以來，火箭的殘骸要么落下來報廢，要么變成太空垃圾四處游蕩。然而，自從2016年馬斯克的“獵鷹九號”火箭在海上平臺成功回收后，火箭回收便在全世界航空航天界流行了起來。

1.火箭回收利大于弊

實際上，在馬斯克之前，美國的商業太空公司“藍色起源”便已經使用“新謝潑德”火箭將同名的飛船送到了太空，并且成功完成了火箭和飛船的回收。只不過，“新謝潑德”火箭和飛船的飛行高度僅達到100.5千米， 剛剛越過“卡門線”。卡門線是國際上公認的外太空與地球大氣層的分界線。馬斯克的“獵鷹九號”則直接將搭載的衛星送入了預定軌道。

那么，世界各國為什么都要爭前恐后地進行火箭回收研究和試驗呢？

原來，所有的航天器都需要運載火箭來幫助它們實現升空。目前，人類采用的一次性運載火箭在推動飛船或衛星進入太空的過程中，不得不拋棄一些零部件。比如第一級助推火箭、第二級助推火箭、逃逸塔、整流罩等。如果我們能夠成功將這些零部件回收并重復使用，必將大大降低太空探索的成本。同時，火箭回收還有利于保護地面人員和財產的安全。因為第一級助推火箭、第二級助推火箭、整流罩等會因為不能完全燃燒而變成殘骸掉落回地面。

從目前世界各國的實際操作來看，回收運載火箭的工作主要在于對第一級助推火箭的回收，以及同時將第一級助推火箭和第二級助推火箭全部回收。

一般來說，第一級助推火箭是火箭的主要發動機，負責將火箭帶離地球的大氣層，并給火箭提供足夠的速度和高度來進入軌道。第一級助推火箭具有尺寸大、重量重、高價值、原件多等特點，而且它在飛行過程中會分離并返回地面。因此，相對來說第一級助推火箭的回收難度不是那么大，而且帶來的收益也會更大。

第二級助推火箭則是在第一級助推火箭完成使命后啟動的另一個發動機，它們通常可以被多次點燃，因此能將火箭推向更高的高度，并將火箭帶入更遠的軌道。第二級助推火箭尺寸較小，重量也較輕，設計和制造的要求也較高。因此，對第二級助推火箭回收再利用的難度和代價要比僅回收第一級助推火箭大得多。所以，全世界各國現在回收火箭技術的研究基本上是針對第一級助推火箭展開的。

2.回收火箭的方式

2023年7月18日，美國火箭實驗室公司的“電子號”小型運載火箭執行了第39次發射。這是一款高度僅18米、直徑1.2米、起飛重量12.5噸、低軌運力僅有300千克的兩級小型運載火箭。由于此次發射采用了“箭體傘降、緩降落海、船只打撈”回收第一級助推火箭的方式，因此受到世界各國的關注。

“電子號”在發射升空2分30秒后，第一助推火箭、第二級助推火箭成功分離。第一級助推火箭分離后，立即打開引導傘，用于穩定火箭箭體的姿態。隨后，降落傘打開，用于緩解火箭箭體下落的速度。最后，根據第一級助推火箭上攜帶的信標，回收船趕到現場，將其從海里撈起來。

據了解，目前火箭回收主要有降落傘回收、垂直起降回收和滑翔回收三種技術。

而此次“電子號”便是利用了降落傘回收技術。降落傘回收技術的優點在于系統簡單，火箭運力損失較小；缺點則在于降落傘對火箭箭體的控制能力較差，降落的地域隨機性較大。另外，海水對火箭箭體的腐蝕性，也是讓科學家頭痛的問題。

垂直起降回收技術可以通過垂直降落回收第一級助推火箭并重復利用，它要求該火箭能夠垂直起飛并且垂直降落。簡而言之，就是第一級助推火箭預先留下一部分燃料，當與第二級助推火箭分離之后，主發電機再次點火，以確保第一級助推火箭降落到預定的著陸場地。不過，垂直起降回收技術的難度相對來說很大。

2024年1月19日，我國民營企業自主研制的可重復使用液氧甲烷運載火箭“朱雀三號”在酒泉衛星發射中心完成飛行試驗。這款垂直起降可重復使用的火箭長76.6米，直徑4.5米，起飛重量約660噸，運載能力約21.3噸。此次試飛飛行時間約60秒，飛行高度約350米，著陸位置精度更是達到了2.4米。

滑翔回收技術要求發射國家國土廣袤，以便火箭返回機場。同時由于其需兼顧火箭和飛機兩b6EObwHYFlyCKAEHBQauew==種飛行模式，導致系統異常復雜，并且綜合成本極高。所以，對于滑翔回收技術的研究一直進展緩慢。

3.第二級助推火箭回收

第二級助推火箭是指在第一級助推火箭發射后，由第一級助推火箭發射的物體再次發射的火箭。一般來說，第二級助推火箭可以用于時間更長的任務，并飛到更遠的距離。也就是說，它能夠將物體發射到更高的軌道。當然，有些火箭還可能使用第三級助推火箭、第四級助推火箭，甚至更多級別助推火箭的設計，以達到更高的速度和更遠的距離。

科學家為了實現更大的回收利益，進一步降低太空探索的成本，把目光投向了第二級助推火箭的回收。國外的研究數據顯示，如果回收再利用第一級助推火箭，大致能降低運載火箭成本的80%；如果回收再利用第二級助推火箭，運載火箭的成本將降低99%左右。

但是，第二級助推火箭從軌道返回地球的速度高達25馬赫（相當于25倍音速）。要回收第二級助推火箭首先需要考慮其上面的燒灼、隔熱結構。

美國迄今為止一共建造了6艘宇宙飛船。但他們使用的增強型碳-碳隔熱瓦耐撞擊性、可替換性差，最終成為其致命缺陷。一塊隕石從太空墜落進入大氣層后，由于與大氣產生劇烈摩擦，其表面溫度超過2 000℃。絕大多數隕石也會因此熔融、剝離、分解，最終消失在大氣層中。

第二級助推火箭從卡門線以上向地面墜落的過程中，也會面臨高溫燒灼的問題。馬斯克的太空探索技術公司就曾經發現其產品“龍”飛船在返程途中進入地球大氣層時受到了傷害。他們在飛船的隔熱瓦上發現了一些沒有想到的流動現象，而且腐蝕現象比預期的還要嚴重。

實際上，耐熱和返回結構的問題，僅僅是第二級助推火箭回收技術中需要解決的眾多問題中的一個。到目前為止，世界各國提出了諸多第二級助推火箭回收技術的思路。比如，帶滑翔翼返回方案、火箭主動冷卻方案、柔性充氣式熱盾方案等。但是，不論哪一種思路或方案都面臨著許許多多的問題，人類對于第二級助推火箭回收技術的探索仍然還在繼續。