火箭一子级回收技术日趋成熟，但复用仍需时间

杨开 （北京航天长征科技信息研究所）



火箭一子级回收技术日趋成熟，但复用仍需时间

杨开 （北京航天长征科技信息研究所）

美国东部时间2016年6月15日，美国猎鹰-9在完成预发射任务后回收第一级时，因1台发动机故障而回收失败。不过此前的2016年5月27日，猎鹰-9改进型执行泰国通信卫星高轨任务时，在海上回收获得成功，这是猎鹰-9连续第3次成功在海上回收。自2015年12月以来，美国太空探索技术公司（SpaceX）在火箭一子级回收计划上取得的成就令人惊叹，从低轨任务的陆地回收到低轨任务的海上回收，再到高轨任务的海上回收，猎鹰-9火箭不断刷新纪录，一子级回收技术渐入佳境，证明了有动力垂直返回技术是一种可行的重复使用方案，但目前还不成熟。

1 引言

SpaceX公司成立之初的目标就是要打破传统发射服务运营商的高昂价格，因此，在火箭方案设计阶段就已经考虑到了重复使用的问题。根据SpaceX公司和美国航空航天局（NASA）在2006年签订的太空行动协议，猎鹰-9v1.0型的一二子级都将采用重复使用设计，但是并没有提及具体的设计方案。2010年，猎鹰-9v1.0型首飞时一子级外表面安装烧蚀材料，内部安装降落伞，试验降落伞回收火箭一子级的方案。但是采用铝锂合金结构的一子级在返回过程中因承受不住气动载荷和热载荷而解体，伞降回收的尝试失败。随后，SpaceX公司决定放弃伞降方案，迅速转向有动力的垂直返回技术：2012年就开始利用猎鹰-9v1.0一子级改造的“蚱蜢”验证机验证垂直起降技术；2013年初淘汰猎鹰-9v1.0，为适应有动力垂直返回方案而设计的猎鹰-9v1.1投入使用。

麦·道公司的DC-X垂直起降验证机进行垂直起降飞行试验

SpaceX公司的重复使用技术发展途径

2 SpaceX公司火箭一子级回收之路

SpaceX公司选择的垂直反推回收方案与麦 道公司（McDonnell Douglas）在20世纪90年代提出的“德尔他快帆”（DC-X/XA）方案类似。DC-X装有4台RL-10A-5发动机，推力可以在30%～100%之间调节，共进行了8次飞行试验，最高飞行高度为2652m。DC-XA是DC-X技术验证机的改进型，共进行了4次飞行试验，第三次飞行高度达到3200m，飞行器在第4次飞行试验中爆炸被毁，原计划进行的第5次飞行试验也被取消，该项技术验证计划也随之提前结束。

虽然技术方案相同，但是SpaceX公司更多是瞄准了技术应用而非单纯的演示验证，采用 “验证机验证——发射任务验证——回收尝试”的发展途径，从2012年初开始利用“蚱蜢”验证机进行技术验证，到2015年底首次回收成功，SpaceX公司的进步速度之快令人惊讶，但是火箭回收之路并非一蹴而就，其技术发展过程也值得深思。

第一步：验证机验证

SpaceX公司共使用了2台技术验证机：“蚱蜢”垂直起降技术验证机和猎鹰-9可重复使用验证机（F9R-Dev1）。“蚱蜢”验证机进行了8次试验，已经停止使用，猎鹰-9R-Dev1进行了5次试验，在2014年8月进行的第5次试验中炸毁。

（1）“蚱蜢”验证机

“蚱蜢”验证机以猎鹰-9v1.0火箭一子级为基础改造，高约32m，装有1台推力540kN的灰背隼-1D发动机。底部安装了4支配有液压减震装置的金属着陆支架和1套金属支撑结构，在着陆前起缓冲作用。验证机垂直起飞、垂直着陆，试验过程中发动机全程保持工作，通过发动机推力矢量控制实现箭体姿态稳定，通过发动机推力大范围调节，实现上升、悬停、减速和着陆。

“蚱蜢”验证机共进行了8次飞行试验。然而，“蚱蜢”验证机的飞行高度仅有744m，试验的经验积累也不够多，所以为了进一步推动其垂直起降技术的发展，SpaceX公司又开展了可重复使用验证机的试验。

（2）可重复使用验证机

结束“蚱蜢”验证机的试验之后，SpaceX公司利用猎鹰-9v1.1火箭一子级改造形成了猎鹰-9可重复使用验证机，高约42m，装有3台灰背隼-1D发动机以及4个碳纤维铝合金蜂窝结构的着陆支架。可重复使用验证机还装有冷气反作用控制系统进行辅助的姿态控制。

“蚱蜢”验证机

“蚱蜢”垂直起降验证机试验情况汇总表

可重复使用验证机进行了5次低空飞行试验，最大飞行高度1000m，在2014年8月进行的第5次飞行试验中炸毁。

2014年4月17日，可重复使用验证机完成首次垂直起降试验，飞行高度250m，时间不到1min。在试验机的飞行试验中，其着陆架呈展开状态（着陆架收起状态长7m，展开长度为18m），起飞时只有1台发动机工作，可重复使用验证机试验场包括发射台和着陆台两部分，验证机在飞行中需要进行横向移动。

可重复使用验证机

2014年5月1日，可重复使用验证机进行第二次飞行试验，高度1000m，时间大约2min，其他情况与首次飞行试验类似。

猎鹰-9上的格栅翼

2014年6月17日，可重复使用验证机进行第三次飞行试验，高度仍为1000m，试验时间大约2min，此次飞行中采用了格栅翼进行控制，格栅翼大约在1min11s时打开。

2014年8月1日，根据SpaceX公司在美国航空航天学会（AIAA）2014年的航天大会上的报告，可重复使用验证机又进行了一次飞行试验，对新的作动器和软件系统进行了研究。

2014年8月22日，可重复使用验证机在进行第5次飞行试验时发生故障，触发了飞行终止系统（FTS）致使飞行器在空中解体爆炸。此次事故没有造成人员损伤。在之前的试验中，可重复使用验证机的3台发动机中仅有一台工作，而此次发生故障的试验中，3台发动机都处于工作状态。

第二步：发射任务技术验证

2013年9月29日，猎鹰-9v1.1火箭首飞便开始进行一子级回收技术的验证，包括发动机重启、返回弹道、姿态控制、推力调节、着陆支架等，与验证机计划同步开展。

（1）2013年9月29日，猎鹰-9v1.1型火箭的首次飞行

按计划，火箭一子级9台发动机中的3台发动机将重启两次。在实际任务中，发动机第二次重启失败。火箭一子级的第一次重启成功，将一子级送入再入轨道，地面控制中心获得相关数据；但在二次重启中，由于一子级箭体因故障发生滚转，发动机提前关机，一子级最终坠入范登堡空军基地以南几百英里的太平洋海域。

（2）2014年4月18日，猎鹰-9v1.1型火箭执行第3次“国际空间站”“商业补给服务”（CRS-3）任务

在本次任务中，猎鹰-9v1.1型火箭一子级首次安装了7.6m长的着陆架，着陆架采用碳纤维和铝合金蜂窝材料，利用高压氦气气动系统展开，伸展长度为18m，总质量为2t。火箭在起飞3min后一、二级分离，飞行高度80km，飞行速度马赫数为10。此后，一子级3台发动机通过两次重启调整速度方向并减小再入速度，向距卡纳维拉尔角东北部几百千米的大西洋海域着陆区域降落。

发射结束后，通过修复得到的视频证明一子级着陆架成功展开，并垂直降落在海面上。此外，公司的遥测数据表明一子级滚转速度接近于零，传感器工作正常。

（3）2014年7月14日，猎鹰-9v1.1火箭发射轨道通信公司（ORBCOMM）的6颗卫星

猎鹰-9着陆支架

在本次发射中，SpaceX公司再次尝试回收一子级。猎鹰-9火箭一子级在返回地面过程中重启3台发动机，实现火箭一子级的受控下降，并预计在落入海面前展开携带的4个着陆架，降落目的地是卡纳维拉尔角东北方向几百千米远的海域。随后，SpaceX公司公布了一子级垂直降落的视频，着陆支架成功展开。

（4）2014年9月21日，猎鹰-9v1.1火箭执行第4次 “商业补给服务”任务

此次发射任务中，NASA派出两架飞机监控火箭一子级有动力再入返回过程，并收集了相关的飞行数据。NASA希望利用这些数据研究未来火星着陆的问题，而SpaceX公司则可以依靠这些数据改进其一子级可重复使用技术。

第三步：回收尝试

经过“蚱蜢”验证机和可重复使用验证机的飞行试验，以及猎鹰-9v1.1飞行任务中的4次技术验证之后，SpaceX公司从2015年开始着手进行火箭一子级的回收尝试，分别于2015年12月和2016年4月首次实现了一子级的陆地和海上回收。

（1）2015年1月10日，猎鹰-9v1.1火箭执行第5次“商业补给服务”任务

将二子级送入预定轨迹后，一子级准备开始返回大西洋上距离发射点354km的海上回收平台——自主航天港无人船（ASDS）。马斯克称，在平台上着陆就像寻找一个针尖大小的目标，试验成功的机率只有50%。

一子级与二子级分离15s之后，一子级利用冷气姿态控制系统离开二子级的羽流，之后继续上升达到最高点140km处，重新启动部分发动机，进行回程点火，控制纵程距离，开始瞄准91m×52m的无人船。之后，一子级进入弹道飞行阶段。进入大气层后，一子级展开4个格栅翼，这些格栅翼已经在可重复使用验证机飞行器上进行过低空低速的验证。4个格栅翼各自独立控制，采用两自由度设计，可同时滚转和倾斜，允许在大气层飞行过程中进行复杂的制导控制。一子级的3台灰背隼-1D发动机在70km的高度再次点火反推，降低再入速度。加上空气阻力的作用，一子级速度从1200m/s降低至250m/s。在飞越大气层的过程中，一子级重心很低（几乎没有推进剂，质量集中在底部的发动机上），利用格栅翼保持飞行器的姿态稳定，并进行俯仰角度修正，进一步调整纵程距离，瞄准海上回收平台的位置。此时，海上平台附近（保持安全距离）布置了一艘支援船只，记录一子级的遥测数据和视频。

在最后的着陆点火时，只有中心的一台发动机再次启动，一子级最后精确调整飞行路线，垂直地下降到平台的X标记上方。在下降前10s，4个着陆支架利用增压氦气展开。

猎鹰-9着陆过程的模拟画面

结果表明，一子级成功找到了“针尖”大的平台，但是未能够在平台上站立，一子级返回时着陆速度过高且姿态倾斜，撞毁在平台上。回收尝试失败之后SpaceX公司表示，火箭上安装的格栅翼从高超声速到亚声速飞行阶段的工作都非常好，但是在着陆之前耗尽了液压液，不能进行有效的减速和姿态控制。此后的任务中，SpaceX公司将液压液的加注量提高了50%。

（2）2015年2月11日，猎鹰-9v1.1火箭发射美国国家海洋和大气管理局的“深空气候观测台”卫星（DSCOVR）

此次发射任务需要将卫星送入近地点187km、远地点1241000km、倾角为37°的轨道，高轨任务增加了火箭回收的难度，因为火箭一子级速度提高了很多，返回过程中承受的气动压力将是第一次回收尝试任务中的2倍，而且返回过程中推进剂余量不够充足，只能进行两次点火。发射当天海上天气情况较差，海上回收平台未能到位，一子级只能进行动力反推试验，SpaceX公司称一子级返回过程中的姿态和速度都得到了有效控制。

（3）2015年4月，猎鹰-9v1.1火箭执行第6次“商业补给服务”任务

在本次任务中，SpaceX公司再次尝试利用海上平台火箭一子级，火箭虽然降落到了海上平台上，但属于“硬着陆”，由于横向速度过大失去平衡而翻倒，大部分部件已经损坏。后续调查表明，是由于控制系统的相位滞后问题引起的速度失控。

（4）2015年12月，猎鹰-9改进型执行轨道通信-2（Orbcomm-2）发射任务成功实现一子级陆地回收

猎鹰-9火箭改进型从卡纳维拉尔角的第40号发射工位起飞，大约14min后将轨道通信公司的11颗卫星送入近地轨道。在火箭二子级上升入轨的过程中，火箭一子级通过一系列的发动机点火和机动，成功返回第1着陆区域，该区域距40号发射工位只有几英里的距离。根据SpaceX公司的网络视频直播，火箭一子级大约在发射后10min成功地垂直降落在着陆区域。

（5）2016年1月，猎鹰-9v1.1执行贾森-3 （Jason-3）任务时海上回收失败

最后一发猎鹰-9v1.1型火箭执行高轨任务，火箭一子级成功进行了再入返回，在降落之前很好地控制了姿态和速度，垂直降落到海上平台上，但是由于一条着陆支架折断，导致翻倒炸毁。后续调查表明，由于当天的大雾天气导致着陆支架在发射过程中结冰，降低了支架强度，最终使得支架折断。

（6）2016年3月，猎鹰-9改进型执行欧洲卫星-9（SES-9）任务时海上回收失败

此次任务是猎鹰-9改进型发射载荷最大的高轨任务，载荷质量5.3t，SpaceX公司事前也称此次回收成功的可能性很小。最终也是由于一子级分离点高度高、再入速度大，没有准确降落在驳船中心，而是倾斜着“撞”上了海上平台。

（7）2016年4月，猎鹰-9改进型执行第8次“商业补给服务”任务时成功实现海上回收

猎鹰-9火箭在执行第8次“商业补给服务”任务时，成功实现了火箭一子级的海上平台着陆，并成功将龙飞船送入预定轨道。

贾森-3任务中海上平台回收尝试已经非常接近成功

今年5月初回收的一子级严重受损

（8）2016年5月6日，猎鹰-9改进型执行日本通信卫星-14高轨任务时再次成功实现海上回收

在发射任务中，猎鹰-9火箭一子级在上升段工作了2min38s，相比4月9日低轨任务的工作时间增加了8s，一子级的速度提高了很多，而推进剂余量却降低了。正常情况下，一子级返回过程中要重启工作3次，即回程点火、再入点火和着陆点火，但是由于推进剂余量不足，此次任务中只能进行再入点火和着陆点火。这种情况下一子级在完成再入点火后的速度为2km/s，而低轨任务中的完成回程点火和再入点火后的速度为1km/s，也就是说速度提高了1倍。为了能够在降落之前抵消掉上述速度增量，此次着陆点火过程中先重启了3台发动机（以往任务中都是重启1台发动机）。最后，在着陆前几秒钟关闭两侧的发动机，利用中心发动机实现高精度着陆。

（9）2016年5月27日，猎鹰-9改进型执行泰国通信卫星高轨任务时，连续第3次在海上回收获得成功

虽然着陆成功，但是马斯克也表示，火箭在着陆时存在“一定倾倒风险，速度接近设计极限”，说明高轨任务的回收仍有一定难度和风险。

3 回收后的一子级情况

目前，SpaceX公司已经回收的三枚火箭一子级，都停放在卡纳维拉尔角第39A发射工位的厂房内。2015年12月在陆地回收的第一枚火箭一子级未来将不再复飞，而是要放到SpaceX公司的总部进行展示。今年4月份在海上回收的第二枚火箭原计划在6月份复飞，但是由于试验时间推迟导致复飞计划往后推迟到今年9月。

今年5月初回收的第三枚火箭一子级，则由于再入返回的速度太高受到了严重的损坏，目前还很难确定能否复飞。而5月底的回收中，火箭一子级虽然着陆成功，但是着陆速度基本达到了极限值，在平台着陆时蜂窝铝合金结构的缓冲装置完全撞毁，不过马斯克表示缓冲装置在后续任务中可以更换。

4 小结

回收火箭最重要的意义在于降低发射成本，SpaceX 总裁兼首席运营官格温·肖特维尔在发布会上表示：目前精确确定可重复使用火箭会降低多少费用还为时过早，但是一级火箭推进剂的成本不到100万美元，而一级回收后修复的费用约为300万美元，那么回收后再发射的费用降低30%是可行的，发射费用可降至4000万美元。需要注意的是，上述费用仅是初步估计，如果考虑到火箭运载能力损失、火箭回收之后的修缮成本以及重复使用次数等问题后，还无法判断SpaceX公司是否可通过利用回收火箭降低发射成本，更无法确定能有多大的降幅。例如，按照最近SpaceX公司公布的猎鹰-9火箭运载能力，完全一次性使用的情况下，其GTO运载能力为8.3t，而此次发射的卫星质量为4.7t左右，回收火箭一子级大约损失了3.6t的运载能力，约为43.4%。这样的运载能力损失对于成本影响显然也非常大。

SpaceX公司利用成熟技术在重复使用运载器技术上成功开辟了一条可行路径，不过真正实现重复使用还需要一定时间。未来猎鹰-9火箭的回收和重复使用可能还会经历很多坎坷，但是SpaceX公司坚持创新和大胆决策的风格，仍会推动重复使用技术和航天技术的快速发展和应用。

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