美国太空探索技术公司成功实现火箭一子级复用

美国太空探索技术公司成功实现火箭一子级复用

SpaceX Completed Reuse of Rocket' s First Stage

杨开 龙雪丹 （北京航天长征科技信息研究所）

北京时间2017年3月31日6：27，美国太空探索技术公司（S p a c e X）利用猎鹰-9（Falcon-9）火箭将欧洲通信公司（SES）的欧洲通信卫星-10（SES-10）送入地球同步转移轨道（GTO）。在这次发射中，猎鹰-9火箭使用了2016年4月回收的火箭一子级，并且再次成功回收。此次发射任务的成功标志着SpaceX公司已经掌握了火箭一子级动力垂直回收和复用的技术方案。此外，SpaceX公司创始人伊隆·马斯克在任务后的采访中表示，这次还成功回收了火箭整流罩中的1瓣（整流罩分为2瓣）。

1 关于此次发射任务

发射概况

此次发射是SpaceX公司2017年执行的第3次任务，载荷为欧洲通信卫星-10，质量约为5.3t。

此次发射任务中SpaceX公司使用的火箭型号为猎鹰-9v1.2，该火箭从2015年12月开始投入使用，目前官方给出的低地球轨道（LEO）运载能力为22.8t，GTO运载能力为8.3t，不过这都是在不回收火箭一子级的情况下，完全一次性使用时的最大运载能力。而实际上SpaceX公司也明确表示，目前6250万美元的发射价格对应的GTO运载能力为5.5t，即在回收火箭一子级的情况下，远达不到其最大运载能力。

火箭一子级复用前的准备工作

此次发射使用猎鹰-9火箭一子级的序号为1021号，它曾在2016年4月执行的第8次“国际空间站”货运补给任务-8（CRS-8）中利用海上平台回收，这也是SpaceX公司第一次成功实现海上平台的火箭一子级回收。

2016年2月5日，1021号火箭一子级在德克萨斯州的麦格雷戈试验场进行了全时长点火试车。在2月8日的一次试验事故中，1021号火箭一子级的所有发动机喷管都被损坏，在麦格雷戈试验场完成修缮之后，于3月底运往卡纳维拉尔角的LC 40发射工位，并与二子级和“龙”（Dragon）飞船完成装配。4月5日，猎鹰-9火箭在发射台上进行整箭点火试车，火箭一子级的9台发动机点火工作3.5s。4月6日，1021号火箭一子级执行发射任务，成功完成了CRS-8任务，并成功实现海上回收。

回收之后，SpaceX公司将1021号火箭一子级从海上回收平台卸下，拆卸着陆支架之后，运回肯尼迪航天中心LC 39A发射工位的水平装配厂房。在水平装配厂房内，SpaceX公司对1021号火箭一子级进行大量的检查和研究，并卸下了火箭一子级上的9台发动机。

最初，SpaceX公司计划利用1021号火箭一子级进行一系列试车（大约10次），以充分研究回收火箭一子级的性能，为重复使用做准备。但随着回收子级数量的增加，SpaceX公司决定先利用2016年5月执行日本通信卫星-14（JCSAT-14）任务时回收的1022号火箭一子级开展试车活动。之所以更换试车对象，是因为1022号火箭一子级是在高轨发射任务中回收的，已经达到了性能和热防护的极限，可能很难再次执行发射任务。而且可以在充分利用1022号火箭一子级所达到的极限条件的基础上，通过其试车数据来验证其他回收火箭一子级的状态是否符合要求。

SpaceX公司按照计划对1022号火箭一子级进行了多次试车，获取了大量关于回收火箭一子级健康状态和性能的数据，包括各子系统对于多次点火的响应、低温贮箱多次循环使用的影响等，对估计各子系统可重复使用的次数形成了初步的判断。当然，SpaceX公司得到最重要的结论是回收的火箭一子级可以复飞。在1022号火箭一子级完成试车后，欧洲通信公司公布欧洲通信卫星-10将采用回收的1021号火箭一子级进行发射任务。

2017年1月，1021号火箭一子级在德克萨斯州的麦格雷戈试验场成功完成了全时长试车，这是SpaceX公司发射任务中的标准流程。之后，1021号火箭一子级被运往肯尼迪航天中心，在LC 39A发射工位的水平装配厂房内进行最后的处理流程。

2016年，猎鹰-9在准备以色列阿莫斯-6卫星发射任务的地面试车时发生爆炸事故。此后，SpaceX公司已经不再搭载载荷在发射台上进行全箭试车。2017年3月28日，1021号火箭一子级和二子级的组合体在LC 39A发射台上进行了时长5s的全箭试车，比以往全箭试车的时间略长。

2 关于SpaceX公司的重复使用方案

技术发展路线

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，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首飞时，火箭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火箭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年开始利用猎鹰-9v1.0火箭一子级改造的“蚱蜢”（Grasshopper）验证机验证垂直起降技术，到2013年10月共进行8次飞行试验，对垂直起降技术进行初步验证；2013年初淘汰猎鹰-9v1.0，为垂直回收方案而设计的猎鹰-9v1.1投入使用，并开始在飞行任务中验证垂直回收技术；2014年，利用猎鹰-9v1.1火箭一子级改造的F9R-Dev验证机完成5次比“蚱蜢”验证机飞行高度更高的垂直起降试验；2015年开始尝试利用海上平台回收火箭一子级，年底实现陆地回收；2016年，为适应海上回收进一步改进猎鹰-9火箭，推出猎鹰-9v1.2，并成功实现海上回收；2017年实现回收火箭的再次发射。SpaceX公司在垂直起降技术上成功走出一条“验证机验证-发射任务验证-火箭改进-火箭回收”的发展途径。

配套设施建设

为了配合垂直起降火箭一子级回收方案，SpaceX公司还建设了多个专用设施。

（1）麦格雷戈试验场的垂直起降飞行试验平台

为了开展“蚱蜢”和F9R-Dev两架验证机的垂直起降试验，SpaceX公司在麦格雷戈试验场建造了专用的试验平台。在进行“蚱蜢”验证机的飞行试验时，起飞和着陆点相同，平台面积较小。在F9R-Dev进行飞行试验时，SpaceX公司扩展了平台区域，将其分为发射区（发射台底座上安装有固定系统）和着陆区两部分。

（2）海上回收平台

为了实现在海上回收猎鹰-9火箭一子级，SpaceX公司租赁了3艘驳船，将其改造成海上回收平台，并称之为“自主航天港无人船”（ASDS），其中有一艘已经退役，现役的两艘代号分别为“我依然爱着你”（“Of Course I Still Love You”）和“请阅读说明”（“Just Read the Instruction”），分别用于回收东海岸卡纳维拉尔角发射的火箭以及西海岸范登堡空军基地发射的火箭。

海上回收平台能够利用GPS定位信息和4个柴油动力的方位推力器进行自主控制，可以在风暴中将位置精度保持在3m以内。除了自主运行模式外，该船舶还能进行遥控。方位推力器采用喷水推进驱动单元，包括柴油-液力-驱动动力单元和一个模块控制器，这些都是由水上设备制造商图马思特公司（Thrustmaster）生产的。

位于上甲板的着陆平台尺寸为52m×91m。猎鹰-9火箭着陆支架的跨度为18m，火箭返回过程中不仅要受到甲板尺寸的限制，还要受到海浪以及GPS误差的影响。在火箭进行着陆操作时，会在回收平台附近布置支援船只。火箭一子级着陆后，技术人员和工程师会登上回收平台，确认火箭的着陆支架固定在船只上，以便运回港口。

火箭海上回收平台参数

近期，SpaceX公司还对其海上回收平台进行改进。平台中心位置的甲板在回收过程中因烧蚀受损，对此进行了更换。另外，最主要的是在平台上设置了一台用于固定火箭一子级的“机器人”，并在平台一端的防爆屏障后设置了一个机库，用于存放这台机器人。按照推测，在火箭一子级降落在平台甲板后，固定机器人会钻到火箭下方，伸出4个液压臂，通过夹紧和支撑火箭底部用于安装发动机的结构，实现对火箭一子级的固定。

之所以要对火箭进行固定，是因为火箭在着陆之后还存在翻倒的风险。2016年1月17日，猎鹰-9v1.1执行贾森-3（Jason-3）卫星发射任务时，火箭一子级虽然成功降落到了平台上，但是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，着陆后的支架折断，火箭一子级翻倒在回收平台上炸毁。2016年5月27日，猎鹰-9v1.2发射泰国通信卫星-8（Thaicom-8），虽然成功回收了火箭一子级，但返回过程中着陆支架缓冲装置受损，箭体落在平台上之后发生倾斜，后来在运回港口的过程中也给SpaceX公司带来了不小的麻烦。

（3）位于卡纳维拉尔角的回收区

为配合卡纳维拉尔角进行的低轨发射任务，SpaceX公司在卡纳维拉尔角空军基地租用了LC 13发射工位，将其改建为第一着陆区（LZ-1）。着陆区直径228m，中心是一块61m×61m的硬水泥平台。

此外，SpaceX公司已经向政府提出申请，希望在卡纳维拉尔角空军基地再建设2个着陆区，用于同时回收“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭的芯级和2个捆绑助推器。“猎鹰重型”火箭采用两级构型，火箭一子级（芯级）和猎鹰-9相同，捆绑了2枚和火箭一子级相同的助推器。芯级和2枚助推器都可以垂直返回进行重复使用。针对SpaceX公司提出的新着陆台建设的申请，美国空军发布了环境评估报告。报告指出，SpaceX公司将在第一着陆区新建2个着陆台，分别位于原着陆台的西北方和西南方，新着陆台本身直径85.96m，外围是宽15.24m的硬土带，直径总计116.44m。

（4）回收火箭一子级的处理厂房

2016年，SpaceX公司将回收的火箭一子级都存放到了LC 39A发射工位的水平装配厂房内，但是随着该发射工位投入使用，以及回收火箭一子级数量不断增多，存放以及处理的问题逐渐凸显出来。2017年3月20日，SpaceX公司在卡纳维拉尔港租赁了新的厂房，用于存放和处理回收后的火箭一子级。该厂房占地面积约5000m2，租赁时间为5年。此外，SpaceX公司计划还要再建大约4000m2的厂房。

3 小结

首先，作为第一家实现火箭重复使用的航天企业，SpaceX公司打开了运载火箭历史上新的篇章。虽然之前航天飞机的固体助推器也实现了回收和复用，但是只能利用回收助推器的一部分重新装配后再进行发射，而且航天飞机成本高，维护周期长，背离了重复使用设计的初衷。SpaceX公司则是实现了整个火箭一子级的回收、复用和再次回收。尽管该公司还没有明确重复使用能够降低多少成本，但是伊隆·马斯克在发射结束后的发布会上表示，使用回收火箭一子级的客户肯定会得到优惠，具体价格还在确定中，而且火箭一子级在常规维护后可复用10次，中等规模的维修后可复用100次，远期目标是1000次，并希望把发射周转时间降低到24h。因此，SpaceX公司的重复使用方案已经在一定程度上达到了目标，而且随着技术不断成熟和稳定，未来可能会凭借“猎鹰重型”火箭、“星际运输系统”（ITS）等新型号进一步颠覆航天运输领域。

其次，卫星运营商可能更希望重复使用带来更多的发射机会。欧洲通信公司的技术主管哈利维尔在发射前表示：“这不仅仅是关于价格问题。重复使用能够降低价格吗？我希望如此。但对于我们而言，重复使用还意味着进入空间机会的增加。”2017年欧洲通信公司将发射6颗地球同步轨道（GSO）通信卫星和4颗中地球轨道（MEO）通信卫星，需要的发射机会非常多，各种不确定性因素导致发射推迟的情况时有发生，例如猎鹰-9之前因爆炸事故停飞调查、“第聂伯”（Dnepr）火箭因政治因素暂停飞行、“天顶”（Zenit）火箭由于财务和多次失败，发射服务已中断多年。另外，该公司的下一颗卫星（欧洲通信卫星-15）还在库鲁等待阿里安-5（Ariane-5）的发射，因为阿里安航天公司位于库鲁的圭亚那发射场出现了大面积的罢工，已经导致阿里安-5的发射推迟。所以，对于欧洲通信公司这类大型卫星运营商而言，发射机会和发射价格同等重要，甚至发射机会可能显得更重要。综上所述，即便火箭的重复使用不能对价格产生颠覆性变革，但是如果能够大幅缩短发射周期，带来更多的发射机会，同样也会为整个发射服务行业，甚至整个航天产业带来更多的发展潜力。

最后，SpaceX公司一直在不断的尝试和失败中完成技术的快速迭代更新和积累，同时还在配套设施方面积极筹备和谋划，随时根据技术发展情况进行调整，逐步实现了火箭一子级重复使用的目标，这种技术研发的方式以及整体规划上的灵活性非常值得借鉴。

毛凌野/本文编辑