垂发垂落

张雪松

航天器尤其是运载火箭的重复使用，一直是航天工业的热门话题。因为无论是飞船还是火箭造价都相当昂贵，如果运载火箭可以重复使用，成本就大大降低了。但是这件事情知易行难，世界各国一直在火箭重复使用的道路上艰难探索。不过近来，美国的太空探索技术公司和蓝色起源公司都取得了一定突破。2015年12月22日“猎鹰九号”在第20次发射中第一级首次成功飞回，并在卡纳维拉尔角的LZ-1着陆场垂直着陆成功。2015年11月23日和2016年1月22日，蓝色起源公司的“新谢泼德”两次发射并垂直着陆成功。

美国早期火箭重复使用技术的发展

运载火箭从一开始就是一种垂直发射的运载工具，早期的运载火箭并没有考虑重复使用的问题。而航天界在火箭发动机和火箭设计上的能力和经验不足，也很难设计出重复使用的运载火箭。但是人们一直没有放弃尝试，主要是因为火箭太贵了。即使在航天竞赛的疯狂年代里，美苏两个超级强国也对一次性运载火箭的代价觉得有些吃不消，一枚土星五号火箭和一艘大型航母一样昂贵，因此运载火箭重复使用技术的研究，得到了各方的大力支持。

从直觉上说，最合理的航天运载器重复使用方案，当然是和飞机一样水平起飞、水平降落，只不过它不仅能在大气层内飞行，还能飞向太空进入轨道。美国专家们在讨论未来重复使用航天运载器概念时，曾经提出分阶段实现重复使用：首先做到载荷（如卫星和飞船）的重复使用，用常规的一次性火箭发射；随后研制一种二级火箭，垂直发射后，这两级火箭都可以水平着陆并重复使用；最后研制出一种以吸气式组合循环发动机为核心的单级入轨运载工具，它将类似普通飞机那样水平起飞和着陆，同时具有类似普通民航飞机那样的安全性、可靠性和维护性，也被人们称为空天飞机。

就第二步来说，最著名的尝试当属美国航天飞机。1972年美国启动航天飞机项目时，乐观的鼓吹者们认为航天飞机将通过重复使用大幅度降低发射成本，彻底淘汰一次性运载火箭。但是经过1981年到2011年的三十年使用，即使最乐观的支持者也不得不承认，航天飞机身上没能体现出重复使用降低成本的优势。

有人指出，航天飞机的一级半火箭设计为轨道器防热带来了巨大的麻烦，而三角翼加大货舱的设计带来了更多的死重、更低的安全性和不低的周转成本。那么换个思路，研制一种和一次性火箭差别不大、在较少的发射次数下仍具有经济性的重复使用运载工具，是否可行呢？从这个思路出发，航天业界转而考虑以一次性运载火箭为基础，稍加改动部分复用的设计方案。当然，要在复用和经济性上取得一个平衡，航天飞机那样的垂直发射、水平着陆方案就不太合适了。

苏联/俄罗斯人的尝试

苏联的“能源”号重型运载火箭计划进行助推器的回收，它使用降落伞加滑橇回收的设计，也有说法称“能源”号的助推器将使用有翼返回的概念。

苏联解体后，俄罗斯在新一代的“安加拉”系列运载火箭中提出了“贝加尔”飞回式液体助推器的设想，属于“能源”号火箭液体助推器飞回概念的进一步发展。“贝加尔”飞回式液体助推器计划作为“安加拉”火箭的模块使用，它的主发动机为一台RD-191液氧煤油发动机，可以提供约2000千牛推力。与传统的液体助推器不同，“贝加尔”安装了折叠的完整翼面，甚至还有一台RD-33吸气式航空发动机。“贝加尔”工作过程和传统液体助推器一致，但在75000米高空以马赫数5.6和火箭分离后，它将翻转90度后再入。当减速到亚音速后RD-33启动，推动“贝加尔”返回发射场。“贝加尔”还设计了起落架系统，可以像普通飞机一样在机场跑道上降落。美国也曾提出类似的设计方案，比如至今还挂在登月航天员巴兹·奥尔德林网站上的StarBooster方案，德国航天局（DLR）的LFBB方案总体设计也如出一辙。

然而此类设计十分复杂，在发射成本上比航天飞机并没有多大优势。或许正因为如此，这些方案都没能飞上蓝天。

VTVL方案的价值

就在美俄的国家航天机构尝试有翼方案的同时，一些私营企业也提出了不同的设计，比如Kistler公司的 K-1火箭就使用了两级入轨完全复用的方案。K-1的第一级和第二级都将使用降落伞减速，其中第一级靠火箭动力推动返回发射场，使用气囊水平着陆。K-1火箭曾赢得美国航天局的商业轨道运输服务的研制合同，但由于研制进度和资金问题最终出局。X-38验证机则采用了翼伞空降回收方式。不过从试验看，使用降落伞控制着陆速度存在太多不确定因素，要保证一个“薄皮”的火箭箭体完好着陆，难度相当大。

无论“贝加尔”助推器、还是K-1火箭第一级，水平着陆方式都要面对箭体结构的棘手问题——火箭多数是垂直飞行的，轴向强度很大，但径向强度要差得多。那么为什么不考虑垂直着陆呢？其实早在20世纪90年代，美国就投资研制了DC-X垂直起降试验器，验证运载工具的垂直起降技术。DC-X是单级入轨的“三角快帆”的1/3缩比试验器，“三角快帆”试图一步实现完全重复使用和单级入轨的新概念，虽然这个尝试失败了，但DC-X却成为火箭垂直着陆的先驱者。垂直发射、垂直降落（VTVL）方案由此进入人们的视野。

新兴双雄的尝试

无论航天飞机、空天飞机还是“三角快帆”都已经成为过去，今天热议运载火箭的垂直起飞和降落技术，主要是因为航天领域两家新公司的强劲表现，它们也是美国“新航天”的代表公司：蓝色起源公司和太空探索技术公司。

以DC-X的经验和技术为基础，蓝色起源公司开始研制自己的商业垂直起降航天器。而太空探索技术公司为了突破运载火箭重复使用的障碍，也走上了火箭垂直发射和着陆的道路。

◎“猎鹰九号”的回收

太空探索技术公司虽然只有“猎鹰九号”一种运载火箭，但却以廉价的特点抢占了国际商业发射市场，对传统的阿里安宇航公司和国际发射服务公司构成了巨大的压力。如果“猎鹰九号”第一级能够重复使用，将显著降低火箭的发射成本，进一步增强该公司的商业竞争力。火箭的重复使用一向难度极大，太空探索技术公司的研制和试验过程中也遭遇了大量的困难。不过该公司别出心裁地在商业发射的同时，利用分离后的火箭第一级试验，大大降低了试验开销，加快了试验的进度。最初，该公司选择了降落伞海上回收的设计。但实践证明，不对箭体进行速度、弹道和姿态控制，火箭无法完整再入大气层。太空探索技术公司并不气馁，又提出了发动机反推飞回发射场并垂直降落的设计方案。我们很难得知这个思路是借鉴了航天飞机的飞回发射场降落模式，还是更接近K-1火箭飞回发射场降落模式，抑或是俄罗斯ROSSIYANKA可重复使用火箭模式。但毫无疑问的是，太空探索技术公司的工程师们坚持不懈的研究和试验，最终第一个实现了运载火箭第一级的飞回垂直降落。

实现第一级飞回式垂直降落是一个直觉上看起来就很“笨拙”的主意。这种设计的难点，首先就在于运力和复用的矛盾。火箭起飞的时候，需要携带足够数量的燃料用于返回，这等于减少了火箭的运载能力。前面提到的飞回式复用方案不厌其烦地采用机翼和航空喷气发动机，就是为了降低对运力的影响。而“猎鹰九号”火箭之所以敢于采用飞回式设计，恰恰是因为它的其它结构重量很小。早期就有说法称“猎鹰九号”第一级质量比（燃料和结构的质量比值）高达20。而后来公司总裁艾伦·马斯克更是表示，去掉第二级和卫星后第一级可以实现单级入轨，那么质量比恐怕已经达到了25甚至更高。这么高的质量比，一方面要求从储箱到仪器舱的全方位减重，另一方面要求发动机也具有高推重比。“猎鹰九号”火箭现在使用的Merlin 1D液氧煤油发动机推重比超过150，是世界上同类产品中推重比最高的。正是因为这种独特的设计，“猎鹰九号”火箭才能在不过分影响运力的情况下实现飞回发射场并垂直着陆。

马斯克表示，如果一二级分离速度在5000千米/小时，可以飞回着陆；如果是8000千米/小时。就只能去海上移动回收平台着陆了，否则会更严重地影响运力。那么现有情况下运力损失了多少呢？根据独立第三方 SpaceWorks公司的模拟，如果“猎鹰九号”第一级质量比为14的话，飞回发射场垂直降落将损失大约40%的入轨运力。而太空探索技术公司称飞回着陆会损失30%的运力。显然都在可以接受的范围内。

飞回式垂直着陆还要解决再入大气层的问题。运载火箭都是“薄皮大馅”，由推进剂储箱组成的壳体十分脆弱。“猎鹰九号”火箭的再入速度达到马赫数6，防热问题还不算大，气动过载则是真正的拦路虎了。“猎鹰九号”最早的两次再入试验中，火箭第一级都空中解体。世界上其他液体运载火箭的再入速度更高，几乎没有出现过第一级完整落地的例子。太空探索技术公司为此提出了新的方案，通过发动机和姿态控制系统的喷射来主动控制：第一级分离后发动机首先进行助推返回点火工作，抵消火箭水平方向的速度并将火箭推向发射场方向；再入大气层的过程中再点火减速，同时靠氮气喷射装置控制箭体姿态，以此解决再入大气层的难关。火箭发动机的高空再入点火是此前从未有人涉足的领域，人们并不清楚高空高超音速的迎面气流下，火箭发动机点火工作到底会发生什么。而且部分喷流会被气流反向推发动机，也带来了包括防热在内的新挑战。不过在实际操作中，太空探索技术公司通过一次试验就成功突破了高空点火技术，姿控系统的表现也相当出色。

最麻烦的当然是最后垂直着陆阶段。一个细长而庞大、基本耗光了推进剂的箭体，在有风条件下垂直、安稳地降落，实在不太好控制。“猎鹰九号”第一级有9台发动机，各有一定的节流能力，可以启动3台或1台发动机工作。最后着陆时只需要中央的1台发动机点火反推，从而降低了对发动机节流的压力，可以说先天适合反推着陆设计。该公司还先后研制了“蚱蜢”和F9R两种试验器，用来验证火箭第一级的垂直降落技术。这两种试验器最高飞到1000米高空，并曾在有较强横风的条件下控制姿态并成功着陆，为“猎鹰九号”第一级的实际着陆试验做好了准备。在海上浮动平台降落试验以失败告终后，太空探索技术公司根据暴露的问题反复修改设计，最终于2015年12月22日垂直着陆成功，创造了人类运载火箭飞回着陆回收的第一次。

◎“新谢泼德”飞行器

其实蓝色起源公司才是第一个做到火箭垂直发射和着陆的公司，我们之所以把它放在后面讨论，是因为这家公司的“新谢泼德”其实不是真正意义上的运载火箭，回收难度要比太空探索技术公司小得多。

“新谢泼德”主要用于亚轨道旅游，也就是说不会进行真正的轨道飞行。因此“新谢泼德”设计上和“猎鹰九号”截然不同。“新谢泼德”使用氢氧推进剂的BE-3发动机，地面推力约500千牛，可以节流到20%仍正常工作。“新谢泼德”的最大高度和速度都只有“猎鹰九号”第一级的约一半，加上它几乎没有水平飞行速度，也就无需考虑复杂的助推返回点火和再入点火，只需要在低空点火准备着陆。总的说来，“新谢泼德”的技术水平和难度都比“猎鹰九号”第一级的返回低得多，却先拔头筹，第一个飞跃了卡门线（空气空间与宇宙空间的分界线，距地面100千米）并返回地面，力压“猎鹰九号”一头。2015年11月23日的首次成功试验中，“新谢泼德”飞到了100.5千米高空，最高速度马赫数3.72。2016年1月22日这枚“新谢泼德”再次发射升空，飞到101.7千米高空并再次返回。即使飞行难度较低，这种突破仍然具有里程碑意义。

“新谢泼德”和“猎鹰九号”的着陆回收成功，为人类带来了以较低成本进入太空的一线曙光，这是垂直发射和着陆技术最具价值的成果。“新谢泼德”将在多次试验后投入商业运营，执行常态化的亚轨道旅游飞行。如果顺利的话，说不定每个星期甚至每天都能看到它发射的身影。“猎鹰九号”火箭主要用于轨道发射，这是一个中短期内不会有多大发展的市场。但如果可以通过这种复用方式有效降低成本，将对人类开发利用外太空有着不可估量的价值。