火箭回收新玩法:“空中捕获”一子级

文/ 王瑞 杨开

▲ 两架直升机飞到预定高度,一架直升机搭载了测试用的火箭一子级的模拟件，另一架直升机安装了抓取用的捕获机构

▲ 模拟一子级从高空释放，降落伞打开

▲ 安装捕获机钩的直升机瞄准，准备捕获

2020 年4 月8 日，火箭实验室公司宣布成功测试了其在半空中抓住从天而降的电子号火箭第一级的能力，从而向实现该级回收和重复使用迈出了关键一步。该公司称，3 月初在新西兰进行的一次试验中，一架直升机把电子号火箭第一级的一件复制品带到了空中并予以投放。该级随后展开了一部降落伞，尔后在约1524 米的高空配备了抓钩的另一架直升机钩住了降落伞。这架直升机最后挂载着火箭返航着陆。

发展出现瓶颈 产能需求提高

火箭实验室作为商业小型运载火箭研制和小卫星发射服务领域的领跑者，自2017 年以来，已经使用其自主研制的电子号两级液氧/煤油火箭完成了11 次发射任务，除首次发射因地面设备故障导致失败以外，已经连续成功发射10 次，累计将40 多颗微/小航天器送入预定轨道。

自公司成立以来，火箭实验室瞄准了为小卫星提供快速进入空间的能力，其目标是每周进行1 次发射。为了实现上述目标，火箭实验室扩大自身产能，于2018 年在新西兰建设了新的火箭制造工厂，引入自动化制造设备，提高生产效率，具备每月生产1 枚电子号火箭的能力。同时，火箭实验室配套建设新的发射设施，在新西兰玛西亚半岛发射场内建设第二个发射台，在美国沃勒普斯建设新的2 号发射设施。到2020 年底，火箭实验室将拥有3 个发射台，具备同时实施3 枚电子号火箭发射的能力。除了产能和配套的发射设施外，火箭实验室还从美国联邦航空局的商业航天运输办公室获得了为期5 年的发射许可，可开展多次电子号火箭的发射，保证在政策法规流程上开展快速发射的可行性。

一子级回收三步走

尽管火箭实验室已经在很大程度上提升了自身产能，但是距离每周发射1 次的目标还有很大差距，为了弥补产能不足，火箭实验室提出了“一子级回收计划”，通过复用火箭一子级，实现硬件的快速周转。而火箭实验室的火箭复用是通过一子级伞降回收来实现。

第一步，利用再入制导控制确保一子级结构完整性

和太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭一子级自带动力返回方案不同，电子号火箭一子级没有进行再入反推减速，而是通过调整姿态，将热防护部位朝下，应对再入过程中严苛的热环境。这种再入方式下的力热载荷会对一子级产生比较严重的影响，火箭实验室将这一过程形象地称为穿“墙”。为保证顺利穿“墙”，需要通过制导控制对飞行姿态和再入路径进行调整，以保证一子级结构的完整性。根据“火箭实验室”公布的信息，电子号一子级再入过程中采用反作用控制系统（RCS）作为制导控制的主要手段，该系统使用冷气推力器。

2019 年12 月，电子号火箭在成功执行其第10 次发射任务时，首次尝试进行“一子级再入”试验。本次试验并没有对一子级进行回收，而是在火箭上增加了新的飞行计算机和S 波段遥测技术，收集一子级再入大气层时的相关数据。发射结束后，“火箭实验室”也发布消息称：电子号火箭一子级完美穿“墙”，遥测信号直到海平面才断掉。

2020 年1 月，火箭实验室在进行第11次发射时，再次尝试进行“一子级再入”试验，与第一次再入实验一样，火箭一子级成功完好再入，直到撞上海平面。

第二步，利用降落伞实现一子级减速

▲ 接近目标，尝试“空中捕获”

▲ 成功捕获模拟一子级

▲ 返航

▲ 安装捕获机钩的直升机瞄准，准备捕获

▲ 火箭实验室公司首席执行官彼得·贝克

“火箭实验室”在成功进行再入制导控制技术的验证后，短期内不会再对一子级再入过程进行干预，而是将重点转移到降落伞上，因为电子号火箭一子级完成大气层再入后，需要展开降落伞进行减速，目标是将一子级下降速度从每小时7000 公里降到每小时900 公里。“火箭实验室”的首席执行官彼得·贝克在2020 年2 月时表示已经完成首个降落伞系统的原型。相比再入过程的制导控制，利用降落伞进行减速则相对简单，不涉及复杂的控制技术，重点是将成熟的降落伞技术集成到一子级上。

目前，“火箭实验室”正在对一子级进行改进，把降落伞系统集成进去。彼得·贝克表示，2020 年的第7次或者第8 次任务（“电子号”总的第17、18 次发射）中，电子号火箭一子级将安装降落伞，降落伞在约6 公里的高度展开，完成减速效果验证后，溅落到海面上进行回收。

第三步，利用直升机捕获，实现一子级回收

如果第二步利用降落伞减速的过程顺利，最后一步就是在空中捕获使用降落伞减速的一子级，其难点是：半空精确抓捕。

2020 年3 月初，火箭实验室公司向火箭回收和重复使用迈出了关键一步，成功测试了空中捕获电子号火箭一子级的能力。此次试验是在新西兰因疫情而戒严之前进行的，由两架直升机参与测试试验。这两架直升机分别部署在2438 米高空和1524 米高空。一架直升机下方挂载模拟一子级，在2438米的高度释放该模拟件。释放后，模拟一子级上的降落伞成功展开，使其缓慢下降。而安装捕获装置的直升机在大约1524 米的高度成功捕获模拟件。本次测试试验是“火箭实验室”首次尝试直升机空中捕获。

后续，在实际的发射任务中，火箭实验室公司进行一子级回收时，一子级自带的降落伞将在距地面约6096 米处打开，这意味着直升机飞行员有20分钟左右的时间在空中尝试捕获，如果失败，一子级就会坠入海中。为了增大成功率，公司将进行预判，预先将直升机停在捕获位置。

本次捕获试验的成功，也标志着“一子级回收计划”中的第三步是可以实现的，并非空想。

▲ 电子号火箭

▲ 电子号火箭整流罩上美国宇航局的标识

▲ 火箭实验公司和太空探索技术公司两种不同的火箭回收方式

▲ 沃勒普斯发射场内2 号发射设施

“火箭实验室”与太空探索技术公司回收比较

如果“火箭实验室”的“一子级回收”成功的话，意味着火箭实验室就成为继太空探索技术公司后，美国第二家掌握回收技术的私营商业公司，但这两家公司的火箭回收方式实有不同。

回收方式不同

太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭一子级回收方式是垂直回收，即：一子级在降落过程中，导航器会进行引导，间歇点火，逐渐使一子级下降，最后在着陆前，一子级发动机产生反推力，将相对速度降至接近0 的状态，最终使用四个支架平稳着陆。

而火箭实验室公司则是使用直升机来对火箭一子级进行回收。这里还要说明的一点就是，用直升机来回收火箭一子级，天气因素是不得不考虑的重要条件，但火箭实验室公司有自己的发射场，想什么时候发火箭就什么时候发，就凭这一点，也足够让其他公司羡慕不已。

回收目的不同

太空探索技术公司重复使用火箭一子级是为了降低生产成本，而“火箭实验室”发展“一子级回收”技术的目的是为了加快发射频率。正如“火箭实验室”对外宣称的，生产火箭的时间太长，一枚火箭需要花费将近30 天的时间才能完成，这有悖于公司“进行快速的火箭发射，提高发射频率”的目标。公司发展一子级回收技术，通过一子级翻新和重复使用减轻工厂的生产压力，可以更频繁地进行发射，同时降低每次发射任务的生产成本。

▲ 新西兰玛西亚半岛发射场

回收技术不同

电子号火箭一子级使用的下降技术为“火箭实验室”独有，它被称为“航空热减速”技术，本质上是利用地球大气的摩擦力来使一子级减速。下降到一定位置后，一子级自带的降落伞将在顶部展开，使其进一步减速，最终直升机会在下降过程中，在空中对其进行抓取捕获。为了确保回收成功，“火箭实验室”也在后勤保障上做足准备，公司有2 艘大船、1 艘回收船和3 架直升机。

作为商业小运载企业的领跑者，“火箭实验室”的发展势头一直很好，从没遇到过资金短缺问题。公司从2006 年开始运营，一共进行过5 轮融资，最近一次融资是在2018 年11 月，融得1.4 亿美元，目前大部分资金还在公司账户里，并没有使用。此外，由于“火箭实验室”运营情况良好，除了私营商业公司不断的与其签订发射合同外，更有美国侦查局、美国国防部高级研究计划局、美国空军、美国宇航局等政府机构与其签订发射订单。

本次“空中捕获”试验的成功，意味着“火箭实验室”的“一子级回收”计划已经成功进行了2/3。待“一子级回收计划”实施后，可以使“火箭实验室”的发射频率加快，减少生产成本，使公司将更多的精力投入到新产品的研制中，成为名副其实的多元化航天公司。