明日之星：可回收火箭技术

星海

如果你觉得加速成绩秒杀超级跑车的纯电动汽车特斯拉还不够给力的话，那么当SpaceX公司的猎鹰火箭飞上太空又成功被回收之后，应该足以让你成为“钢铁侠”埃隆·马斯克的粉丝了吧。

从2015年第一次完成子级火箭的陆上着陆，到2016年首次实现海上回收，在短短数年的时间里，“猎鹰9号”火箭已经完成了33次子级火箭的成功回收，在可重复使用火箭技术上遥遥领先。那么，SpaceX公司在实现子级火箭成功回收上都攻克了哪些技术难点？

四大关键技术

由于一次性使用的火箭发射成本过高，不利于航天事业的长期发展，故以降低费用为目的的可重复使用火箭技术被提上了日程。但是发明可重复使用火箭却有着诸多技术难点，例如在一二级火箭分离后，一级火箭从亚轨道下降至地面的着陆过程中，会受到来自复杂飞行环境和多种随机因素的干扰。为了克服诸多不利因素，SpaceX通过4个关键性技术的攻关，书写了一个人类航天史上新的里程碑。

以SpaceX公司的“猎鹰9号”为例，它主要涉及以下4个方面的关键技术：

一是精确返回飞行与安全着陆控制技术。

飞行控制系统在诸多先进算法的支撑下让安全着陆成为可能。

首先，制導/导航与控制技术（GNC）算法的仿真和原理性飞行试验，为实现控制算法和执行机构寻找到了最优化匹配。为达到精确返回、安全着落的目标，就必须对火箭自身特性、飞行环境与扰动因素进行精确的数学描述，而后利用GNC算法寻找最优匹配。

其次，美国宇航局（NASA）的喷气推进实验室为实现可重复使用火箭的定点软着陆问题，研发出了一套燃料优化转移指导算法（G-FOLD），其算法可对子级火箭的燃料加注进行最优规划。众所周知，飞机要在消耗掉一定燃料后才能完成降落，例如前不久川航飞机就在空中盘旋6小时后才成功降落。火箭亦是如此，过多的剩余燃料会导致箭体超重，增加火箭着陆时事故发生的概率。

最后，无损凸优化理论为火箭着陆计算出最佳轨道。火箭回收过程会涉及到诸多复杂问题，例如RCS系统何时工作及其持续时间问题;发动机工作时间和推力大小问题;不同飞行阶段如何确定起点与终点的速度问题;栅格舵和着陆缓冲机构的打开时间问题。为此，SpaceX公司GNC首席工程师Lars Blackmore和德克萨斯大学教授Acikmese共同提出了一种快速收敛、对初值不敏感、所得解即为全局最优解的无损凸优化理论，使得诸多复杂问题迎刃而解。虽然SpaceX公司尚未公开子级火箭回收的相关技术细节，但据推测猎鹰火箭可能也使用了无损凸优化的研究成果。

二是变推力可重复使用发动机技术。

因为发动机在重复使用火箭中承担着重要角色，是火箭实现空中减速的关键所在，所以能力要求更高。

首先，可重复使用火箭的发动机必须具备推力调节能力。在着陆阶段，由于重力加速度，火箭会加速下落，于是必须通过发动机的推力调节，使火箭速度降低到着陆允许的条件范围内。

其次，发动机必须具备在宽入口条件下的点火能力。由于返回过程中贮箱推进剂剩余量不足10%，贮箱压力过低，发动机点火启动条件也会偏离正常范围要求，于是对火箭的点火能力要求也会相应提高。

最后，发动机需要具备健康监测与剩余寿命评估能力。传统液体火箭发动机均为一次性使用，不用考虑健康监测与剩余寿命评估问题。但是对于重复使用火箭的发动机，就需要开展相应的健康监测和寿命评估，以规划其后续使用的方案。此外，发动机的检测与评估还涉及了数据采集处理、故障诊断与控制和智能减损等诸多技术，对其能力的要求更高了。

三是高可靠着陆缓冲机构技术。

虽然火箭的大部分速度已被发动机通过反喷抵消，但是在着陆瞬间仍然会因冲击过载而对火箭造成损伤，因此缓冲技术显得尤为重要。

首先，为了使箭体平稳着陆，着陆缓冲机构要有较好的强度和缓冲功能，并要具备对倾斜姿态、残余速度的适应能力，从根本上保证着陆的安全稳定性。

其次，由于着陆支架过于靠近火箭发动机，要经受得起高达4000℃高温气流的灼烤，这就要求其必须具有承受反侵热流的防护能力。

最后，为了减少火箭自重，提高有效载荷的运载能力，着陆缓冲机构采用了支腿式结构，具有可收放、可重复使用、缓冲效率高、着陆稳定性好、占用空间少等诸多优点。

四是返场快速检测与维护技术。

为了完成多次使用的目标，就必须对回收火箭进行充分的检测与维护。可重复使用火箭在回收后应该只需经过简单维修和加注燃料就能再次使用，否则价值不大。但通过拆卸箭上产品逐个检测的传统手段程序繁琐且复杂，已经无法满足可重复使用火箭的需要。因此采用了无拆卸的快速检测与维护技术，同时结合相应的检测系统，对火箭的健康状态和预期寿命进行自动评估。

两大未来愿景

可重复回收火箭的四大关键技术已逐步攻克，完全重复使用火箭也将在不久的未来实现，那么可重复回收火箭在未来的航天事业中将会扮演什么样的角色？SpaceX公司在未来还会为我们带来怎样的惊喜？

首先，可重复使用火箭将会在未来的国际角逐中扮演关键角色。早在火箭发展的初始阶段，冯·布劳恩和钱学森就提出了重复使用天地往返运输系统的概念。目的是通过火箭自身可靠性、多次重复使用来均摊费用，降低火箭发射成本。同时，可重复使用火箭可以依靠先进设计理念和发射方式，缩短发射周期、提高发射机动灵活性，实现更加便捷和低成本地进入太空，为大规模进行空间利用和开发奠定良好的技术基础。此外，利用其技术能够形成新型空间攻防武器平台，执行空间支援、作战、侦察、监视、预警、对地攻击等诸多军事任务。所以无论是在航天领域，还是在军事领域，可重复使用火箭必定会发挥更加重要的作用。

其次，SpaceX的成功，意味着在未来的“航天俱乐部”中将会涌入诸多以SpaceX为代表的私营航天公司。

如今，SpaceX公司已经完成了33次“猎鹰9号”火箭的回收工作，并在前不久实现了与国际空间站的成功对接。近期，SpaceX公司也得到NASA的认可，未来也将与其开展更加深度的合作。2018年5月，SpaceX公司创始人马斯克在接受媒体采访时表示，2019年“猎鹰9号”火箭有望在24小时内完成2次同一枚火箭的发射和回收，届时将会再次书写一个人类航天史上的里程碑。

可重复回收火箭只是航天发展的第一步，不远的将来，SpaceX公司还将为我们带来更多惊喜。早年，马斯克就曾提出雄心勃勃的火星移民计划。他在接受《华盛顿邮报》记者专访时，曾透露过更多关于火星探索计划的细节。实现可重复使用火箭技术只是火星探索计划的第一步，SpaceX公司计划会用货运飞船率先前往火星，而后向其发射载人航天器，最终建成人类火星移民基地。