对运载火箭回收技术的思考与分析

陈章瑞

摘 要 将运载火箭回收技术分为气动减速和反推减速两大类，介绍了降落伞回收、有翼飞行器着陆回收、燃料反推垂直着陆回收等回收技术，并分析了各种回收技术的优点和缺点。其中特别对使用效果良好的垂直着陆回收技术进行弹道和着陆姿态分析，并提出技术改进建议以及对中国运载火箭使用垂直着陆回收技术的建议，以期给垂直着陆回收技术的发展提供方向。

关键词 运载火箭；回收技术；垂直着陆；可重复使用

中图分类号 V1 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）231-0140-03

自1957年苏联使用改装后的P-7洲际导弹发射第一颗人造卫星以来，运载火箭已经成为人类探索宇宙的主要工具。运载火箭技术要求高，但迄今为止几乎所有的运载火箭均只能使用一次，这导致其价格极为高昂。以欧洲的阿丽亚-5号运载火箭为例，其近地轨道发射成本达每千克10？000美元。因此，人类要想大规模地开展空间探索，就需要尽可能地降低发射费用。要达到这一目标，有两个途径：一是降低制造技术的成本，这需要突破性的技术发展，在短时间内显然难以实现；二则是对航天器的重复利用以降低发射成本。最早的能重复利用的航天器——航天飞机，虽然实现了轨道器和助推器的重复利用，但是维修成本高昂，事故率高，最终在2011年退役；此后英国、德国、美国相继提出过空天飞机或两级入轨的方案，均没有投入实际运用。但在2015年，美国SpaceX公司成功对其火箭“猎鹰9号”的一级进行了回收，由此，人们将火箭回收的研究重点逐渐转向对单个子级的回收。这种回收方式基于当下成熟的火箭技术开发，因而较空天飞机等构想更为可靠与实用。此外，伞降回收也是比较常用的部件回收方法。

本文通过对运载火箭回收技术进行分类分析，梳理了不同的回收方式，分析了现阶段可行的运载火箭回收技术发展方向，希望给火箭回收技术的发展提供参考。

1 运载火箭回收技术分类

运载火箭回收的最大难点就在于要让箭体在不过多影响全箭飞行参数的情况下，从与上面级分离位置起，经过一系列的操作进行减速、调姿，最后稳定地着陆在指定位置。要使箭体返回地面，需要通过降低飞行速度改变弹道。着陆时应保证速度足够小，落点足够准确。显然，要想降低飞行速度，方法有两种：一种是通过利用空气阻力或升力减速，即气动减速；另外一种是通过燃烧燃料减速，即反推减速。在载人航天工程返回舱着陆时，一般采用两种模式结合的方法，运载火箭回收技术也可以借鉴。

1.1 气动减速回收运载火箭

气动回收主要有降落伞回收、有翼飞行器滑行着陆两种方式，下面均以现有航天器部件为例进行说明。

降落伞回收方式主要用于对返回精度要求不高且着陆场较大的工况。以航天飞机助推器（SRB）为例[1]，试验开始后，SRB在122s与主箭体分离，在197s达到飞行最大高度67km，此后经自由飞行、开减速伞、开主伞等一系列流程，最终溅落在距离发射场220km的海面上，并由专门的打捞船进行回收。SRB的溅落速度约为23m/s，高于航天器稳定着陆的速度（载人航天器6-10m/s，无人航天器10-14m/s），会对运载火箭本身造成结构损伤。因此，要想提高运载火箭重复利用的次数，應该将火箭溅落或着陆速度降得更低。着陆速度受结构质量和降落伞面积决定，SRB的降落伞主伞共有3个，每个直径45m，质量已超一吨，显然降落伞难以继续增大。因此，要想利用降落伞回收重型火箭的第一级或助推器，存在技术难度。

有翼飞行器滑行着陆主要适用于航天飞机的轨道器、空天飞机等飞行器。俄罗斯赫鲁尼切夫空间中心设计的“贝加尔”助推器采用可旋转翼面，使翼面在助推器分离后展开，并运用航空发动机推进着陆。相比于航天飞机，在运载火箭助推器上安装翼面会导致其运载能力损失极为严重，为了控制最终落点而安装航空发动机会导致其结构复杂，因而使用价值很低。此外，美国Rotary公司的Roton飞船采用由直升机改装而来的旋翼推进器着陆，最终也没有投入使用[2]。

由此可见，气动减速回收技术虽然技术难度小，种类多，应用也较为广泛，但是受到其本身技术原理的限制，减速效果不能满足陆地或海上平台回收的速度要求，无控制着陆落点精确度低，因而不能作为未来大规模探索宇宙时化学燃料火箭回收的主要方式。

1.2 反推减速回收运载火箭

反推减速主要是在火箭一二级分离后，一级通过燃烧剩余的燃料调整姿态和轨道，并控制箭体着陆在指定位置的过程。一般的运载火箭都采用垂直着陆的方式，以减少着陆时对火箭气动结构的磨损。反推减速目前已经得到广泛应用并且已经多次成功。以美国太空探索技术公司（SpaceX）为首的多家公司已经完成了可回收火箭的测试甚至已经投入使用。反推减速需要让火箭通过自身推进系统改变飞行方向，回到发射场附近，对火箭推进系统和控制系统提出了较高的要求。

2 垂直着陆回收运载火箭技术的简单分析

2.1 飞行弹道分析

垂直着陆回收运载火箭时，根据点火方向和姿态调整方向的不同，弹道主要分为两种：第一种是调整箭体使其弹道倾角增大，从更高的高度返回地面；第二种是调整箭体使其向下运动，从发射轨迹下方返回地面。如果对运载火箭的飞行过程作出以下简化：

1）忽略地球曲率；

2）把箭体的飞行过程简化成在二维平面内的运动，即高度-位移二维。

则对于飞行过程中的任意一点，以发射场所在位置为原点，建立高度-水平位移坐标系分析箭体运动，其受力分析如图1所示。

2.2 着陆状态分析

箭体着陆末段，需要通过反推减小着陆瞬间速度，同时利用支架缓冲，防止发动机产生磨损[4]。如果参考SpaceX火箭的着陆支架，对着陆瞬间箭体状态进行如下简化：

1）认为箭体在具有稳定倾角的平台上着陆；

2）把箭体的飞行过程简化成在二维平面内的运动，即高度-水平位移二维；

3）将箭体的4个着陆支架视为二维平面内等效的两个二维支架。

则对箭体进行受力分析，并标注箭体尺寸，如图3所示。其中，a为箭体半径，b为着陆支架足垫到箭体中心线的距离，H为箭体重心到着陆支架足垫的垂直距离，α为着陆平面与水平面的夹角，θ为箭体径向与水平面方向的夹角。N1、N2分别为两个等效着陆支架受到的支持力；f1、f2分别为两个等效着陸支架受到的摩擦力。

3 对垂直回收运载火箭技术的展望

垂直回收技术因其基于现有化学推进火箭技术发展而来，与现有火箭技术适配度较好，因而适用于大多数现有火箭。由分析可知[5]，对于低轨道发射任务，箭体回收时过载较小（约为4-5倍重力加速度），对于箭体的结构强度要求较小，适用度较高；而对于高轨道任务，箭体回收时过载较大，技术难度较高，可能对箭体产生一定程度的磨损。而鉴于目前大多数发射任务目标轨道均较低，火箭回收技术应在数年之内得到广泛普及。针对现有垂直回收火箭技术，可提出的建议如下：

1）对于弹道调整的思考：由2.1节分析可知，可将运载火箭部件着陆回收场与发射场分开，在箭体分离后自由飞行的落点附近进行回收。这样，火箭剩余燃料仅用于调节火箭姿态和小幅度的减速，不用使全箭速度反向，可以使相同的一级火箭用于推进的燃料更多，推进效率有所提高。

2）对于着陆瞬间姿态调整的思考：在着陆瞬间，箭体将会受到强大的冲击力。如果箭体不是以90°角度恰好垂直着陆，在横向上还会有受力，因此对箭体的横向结构提出了一定要求。由于箭体本身具有抗风、抗压能力，因而可以承受小范围角度着陆时的横向力；但如果着陆角度过大，箭体结构会受损，同时受箭体几何外形所限，甚至可能发生侧翻。因此，对箭体的着陆角度和速度控制有较高要求。对于箭体着陆速度控制，可在着陆前的短时间内，由测距装置测量到目标着陆点的距离和到地面的垂直距离，由此对发动机进行适当节流；对于着陆姿态控制，可由前述测量装置输入的数据计算弹道，并将调姿指令传递给气动舵面（如栅格翼），以调整着陆角度，可通过如图4所示的操作方法进行控制。

3）基于中国现有运载火箭“长征”系列进行发展。从酒泉、太原和西昌发射的火箭，部件落点多位于中部山区，可能进入居民区。因此，在一级分离后，箭体可利用预留的少部分燃料返回着陆场。西昌卫星发射中心一级落区主要在贵州省内，山势复杂，不利于垂直回收；酒泉、太原两发射场附近地势较为平缓，更适于垂直回收。文昌卫星发射中心临海，海上平台可用于回收一级火箭。对于长征7号或长征5号等重型运载火箭，也可运用1）中的自由飞行微调着陆的方法，在落点区（黄岩岛附近）设置回收着陆平台，回收助推器和一级火箭。长征五号火箭执行GTO轨道时一级落点在第一岛链以外，海面更适于着陆。

参考文献

[1]钱学森.星际航行概论[M].北京：科学出版社，1963：264-266.

[2]王辰，王小军，张宏剑，等.可重复使用运载火箭发展研究[J].飞航导弹，2018（9）.

[3]高朝辉，张普卓，刘宇，等.垂直返回重复使用运载火箭技术分析[J].宇航学报，2016，37（2）：145-152.

[4]王海洋.重复使用运载火箭着陆机构及着陆动力学仿真研究[D].南京：南京航空航天大学，2018.

[5]胡冬生，张雪梅，刘丙利，等.重复使用火箭垂直回收任务弹道分析[J].导弹与航天运载技术，2018（5）：21-26.