猎鹰－9火箭第一级首次成功回收

2016-03-17司马光

国际太空 2016年1期

猎鹰－9火箭第一级首次成功回收

First Successful Recovery of Falcon-9 Rocket's First Stage

2015年12月22日，美国太空探索技术公司（SpaceX）用猎鹰－9（Falcon－9）火箭成功发射了轨道通信公司的11颗小型通信卫星。这不仅是猎鹰－9火箭自2015年6月28日发射失败以来的首次发射，而且是升级版猎鹰－9火箭的首次使用。更重要的是，猎鹰－9火箭在世界上首次成功进行第一级有动力垂直回收，从而在人类历史上率先验证了轨道运载火箭的回收技术，为未来打造可重复使用运载火箭、大大降低运载火箭发射成本奠定了重要技术基础。

1 意义重大

众所周知，目前的运载火箭都是一次性使用的，所以长久以来航天发射成本居高不下，发送质量1kg物质上天的成本约为1万～2万美元，大大影响了人类开发太空的规模和效益。比如，作为目前世界上最便宜的猎鹰－9火箭总造价约为5000多万美元，而其推进剂的成本只有20万美元，因此，如果能够回收火箭，然后重复使用，可以极大降低发射成本。所以，美国太空探索技术公司自设计之初就一直在研究如何回收以及重复使用猎鹰－9火箭的相关技术。据悉，如果能回收并重复使用猎鹰－9火箭的第一级，可降低火箭成本80%；如果第一、二级火箭都能回收并重复使用，则可降低火箭成本99%。太空探索技术公司总裁伊隆·马斯克曾表示，可重复使用火箭将使空间进入成本降低2个数量级。

首次成功回收火箭是研制可重复使用火箭的第一步，以后还需多次试验，由成功变为成熟；今后还要突破和掌握回收第二级火箭技术，从而奠定可重复使用火箭的基础；最后要突破和掌握只需低成本维修后的重复发射技术。

另外，由于可重复使用火箭可使每次发射的费用大大降低，这就意味着能设计比现在便宜得多的卫星，而不必再花费大量资金来确保其长寿命的工作状态，因为发射费用很便宜，如果卫星坏了，只需再发射一颗填补空缺即可。

2 升级改进

2015年12月22日发射的是首枚升级版猎鹰－9火箭，其主要改进是：第一级火箭增加了液氧箱和煤油箱的长度，提高了推力；第二级火箭加长了0.5m，用于增加推力，减轻第一级的工作负担，以便回收第一级；火箭总高度增加了约1.5m，达到70m；第一级发动机改用推力增加了16%的隼－1D，每台隼－1D海平面推力为756kN，真空推力为825kN，；第二级发动机改用推力增加了17%的隼－1D-Vac，其真空推力为935kN；加注的液氧温度降低到－207℃（比液氧的沸点－183℃还要低），以提高推进剂密度，将液氧的加注量提高8%～15%，从而提高了火箭的运载能力；煤油的温度也从室温降至－7℃，在粘度不影响燃料特性的前提下，其密度提高了2.5%～4%；火箭第一级和第二级之间的级间连接也进行了改进，以容纳新型发动机真空喷嘴，具有一个中心推杆，以辅助级间分离；火箭总推力提升了约30%。这些改进使火箭可将质量更大的通信卫星送至地球同步转移轨道（GTO），并仍留有足够的推进剂以执行着陆回收试验。

3 三种方案

要实现运载火箭的可重复使用，回收技术是关键。火箭的回收方式一般有三种方案：降落伞垂直下降式、动力反推垂直下降式和滑翔飞行水平着陆式。

1）降落伞垂直下降方案。它是在火箭分离后先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道，接着在低空采用降落伞减速，最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。这种方案与回收飞船返回舱和返回式卫星类似。

2）动力反推垂直下降方案。其空中变轨制动同第一种，但在低空采用发动机反推减速，以垂直下降方式降落地面，美国猎鹰－9火箭采用的就是这种方案。

3）滑翔飞行水平着陆方案，其箭体采用翼式飞行体，在变轨制动后，火箭像飞机一样水平返回地面。这种方案又分为有动力和无动力两种，前者是采用装有涡喷发动机的翼式飞行体，在返回地面过程中启动涡喷发动机进行巡航机动飞行，可实现更大范围的回收区选择（与苏联暴风雪号航天飞机着陆类似）；后者完全依靠翼身的气动力滑翔飞行，向飞机一样水平着陆（与美国航天飞机着陆类似）。

据悉，中国运载火箭技术研究院也一直致力于火箭回收技术的研究。2015年11月下旬，该院成功完成了运载火箭子级回收群伞空投试验，这标志着我国运载火箭在部段回收技术上取得了新的进展，离实现可重复使用又近了一步。中国运载火箭技术研究院拟采用降落伞垂直下降方案来回收火箭。未来，火箭的芯一级还将增加“返航”设计，通过携带供自身返回的燃料，自主飞回预定区域，以备重复利用，从而降低运载火箭的发射成本。

4 两大技术

猎鹰－9火箭成功实现动力反推垂直下降，主要攻克了两大关键技术。

1）控制火箭姿态和落点精度。因为越是细长的东西，越不好控制其姿态，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难。猎鹰－9通过箭上的氮推力器调整姿态。猎鹰－9火箭箭体上有4个可展开的栅格翼，它用于通过GPS卫星制导来协助控制火箭朝着陆地点降落，使其最终落地的精度在10m左右。栅格翼可以在大气飞行过程中利用气动力进行姿态稳定控制。其滚转通道和倾斜通道是相互独立的，通过开式液压系统作动，液压油从高压贮箱流经作动机构后直接排出箭体外部。

2）火箭发动机要具有推力可调和多次启动的功能。为了动力反推，火箭多带了一些燃料。在第一级返回的不同高度，火箭质量会随着燃料快速消耗而明显减小，所以其反推发动机需要采用不同大小的推力，以实现软着陆。猎鹰－9火箭是通过部分主发动机3次点火制动来减速的。在火箭主发动机的控制软件中设置了矢量推力点，它能控制火箭的下落速度。

值得注意的是，采用动力反推垂直下降来回收火箭是以增加一些成本和损失一些发射航天器质量为代价的。另外，回收后是否能够只经过简单维修和加注燃料就可再次发射是一个更大的挑战。如果维修成本太高，就达不到大大降低火箭发射成本的目的，可部分重复使用的美国航天飞机就是一个典型例子。虽然美国航天飞机技术先进，运载量大，但因成本高，风险大，所以提前退役了。

猎鹰－9箭体上的栅格翼

5 返回过程

猎鹰－9火箭第一级发射约3min（约80km高）与第二级分离，速度达马赫数为10，它滑行至140km的最高点。分离后，第二级发动机点火持续约7min，以达到轨道速度，然后与有效载荷分离。与此同时，分离后的第一级采用低温氮气推力器进行姿态控制，使第一级摆脱第二级的尾焰羽流，并使48m高的第一级调转方向，从而使第一级发动机保持正确的点火方向，以返回着陆场。

在发射后4.5min，第一级火箭第1次重启部分主发动机，以降低第一级的降落速度，并控制与着陆点之间的距离，使其能够降落至距离发射场不足10km处。进入大气层后，第一级进行第2次点火，持续大约20s，高度约为70km。通过点火反推和大气层的阻力，速度从1300m/s降至250m/s。在再入大气层过程中，由于第一级底部较重（带有发动机），会保持发动机向下的姿态，而发动机热防护罩经过处理能够经受住再入的热环境。在着陆之前，第一级的中心发动机进行第3次点火，将第一级速度降至2m/s。另外，在第一级着陆前10s，安装在第一级底部的4个着陆支架要打开，它由碳纤维材料和铝合金蜂窝板制成，高约7.62m，总质量为2.1t，带有液压减震器，可进一步减少垂直着陆时的巨大冲击，从而在回收平台上软着陆。在飞行过程中，支架收起附着在箭体上并覆盖了气动外壳以降低阻力。在着陆时，支架展开以提高稳定性，减缓冲击。支架的展开动作依靠高压氦气作动的气动系统实现。着陆后8s内，箭上计算机仍要不断传回信号，直至第一级呈现水平状态时为止。在再入开始阶段，第一级会用4个栅格翼进行滚转、俯仰和偏航控制，保持第一级的稳定。

升级版猎鹰－9火箭的第一级成功着陆

6 成功原因

2015年1月和4月先后进行的回收猎鹰－9火箭第一级的试验虽然都失败了，但也已接近成功。

2015年1月10日，猎鹰－9火箭在执行“国际空间站”货运任务中试验回收火箭第一级技术。第一级火箭在发射后，落向大西洋上的海上着陆平台，虽然准确地命中目标，但由于下降速度过快，导致火箭在甲板上发生爆炸。失败的主要原因是火箭液压油不足，从而导致其4个稳定栅格翼无法有效发挥作用。

2015年4月14日，猎鹰－9火箭在执行“国际空间站”货运任务中再次试验回收火箭第一级技术，虽然第一级火箭准确着陆在海上回收平台甲板上，但由于横向速度过大，火箭未能在甲板上稳稳站立，最终导致倾覆爆炸。

这些失败都没影响太空探索技术公司尤其是马斯克继续试验的决心。2015年1月和4月2次试验失败的原因分别是火箭稳定翼用光了液压控制油以及节流阀响应滞后，使48m（约14层楼高）长的火箭第一级没有受到充分控制，在着陆时翻倒并撞向海上回收平台，但火箭第一级在从太空返回地面时能够得到精确控制。

太空探索技术公司在2015年12月的回收试验中进行了多项改进。例如，采用了升级版猎鹰－9（又称猎鹰－9v1.2）执行发射任务。与此前的猎鹰－9v1.1相比，猎鹰－9v1.2增加了动力30%，从而可在发射有效载荷后，仍有较大动力使火箭第一级在着陆平台上降落并回收。另外放弃了之前在海上回收平台上回收的做法，而改为在陆地上回收，这是因为陆地回收面积大，且稳定不晃动，气象条件更好，能明显降低回收难度。回收着陆场是太空探索技术公司从美国空军租赁的卡纳维拉尔角已退役的发射场，该着陆场在过去被称为发射综合设施－1－3，太空探索技术公司将其重新命名为着陆综合设施－1。固定平台已标记上X标志，作为着陆点。

7 技高一筹

这次猎鹰－9回收成功与美国另一家民营航天企业蓝色起源公司有一定关系，因为蓝色起源公司的“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道火箭于2015年11月23日率先实现了回收。对比传统一次性火箭，“新谢泼德”推进段增加了环形和鳍形稳定翼、多个减速板，以及液压系统驱动的尾翼，尤其是尾翼可在约马赫数为4的高速下工作，保证下降过程中的稳定性。

从技术角度来看，猎鹰－9的回收比“新谢泼德”复杂得多，因为猎鹰－9又细又长（长48m，有助于减少火箭飞行时的阻力），而“新谢泼德”显得身材粗壮，只有20m长。长细比越大，控制难度就越大；猎鹰－9用于发射宇宙飞船和人造卫星，而“新谢泼德”只是一种类似探空火箭的亚轨道火箭，没有发射航天器的能力，用于开展商业太空旅游体验。与“新谢泼德”相比，猎鹰－9飞行高度高2倍，推力大15倍。太空探索技术公司总裁马斯克指出：进入太空与进入轨道是不同的，“新谢泼德”进入太空只需Ma 为3左右的速度，猎鹰－9进入地球同步转移轨道则需要Ma为30左右的速度。二者的能源需求也大不相同，进入太空需要9个单位的能量，进入地球同步转移轨道需要900个单位的能量。即使这样，“新谢泼德”的回收成功也给太空探索技术公司带来了前所未有的压力，迫使太空探索技术公司对猎鹰－9的回收进行了较大改进，降低回收难度，最终获得了成功。