运载火箭空中回收技术研究

2020-07-09汪小卫郑正路张雨佳吴胜宝高朝辉

航天返回与遥感 2020年3期

汪小卫郑正路张雨佳吴胜宝高朝辉

（中国运载火箭技术研究院研究发展部，北京 100076）

0 引言

随着航天技术的发展，重复使用成为未来航天运输系统的主要发展方向之一，国内外开展了大量研究工作[1-7]。实现运载火箭的重复使用，首先需要解决运载火箭子级回收技术。空中回收是火箭子级回收方式之一，具备无损、精确、快速、机动等优点，因此具有重要的研究价值。美国自20 世纪60年代以来已进行了数百次的空中回收技术应用试验，近年来“火神”火箭和“电子号”火箭也针对空中回收技术进行了大量的研究和试验[8-9]，以期通过火箭重复使用降低发射成本，但目前仍处于技术攻关阶段，尚未实现工程应用。空中回收作为一种火箭回收方式，在廉价快速进入空间、满足航区安全、拓展各种类型飞行器的回收、带动新技术发展等方面具有广泛的需求，应用前景广阔。

1）满足廉价、快速、可靠进入空间的需求。子级回收和重复使用是降低火箭成本的重要途径。开展子级重复使用运载火箭研究，通过“多次使用，费用均摊”，可降低运载火箭发射成本，提升我国火箭在国际商业发射市场的竞争力。一般来说运载火箭子级回收主流方式有三大类：伞降回收、垂直返回和带翼飞回，其中伞降回收又可分为陆地、海上和空中回收三种类型[3-4]。不同类型回收方式有各自特点（如表1 所示），其中空中回收方式继承了伞降回收技术的高成熟度，具有对运载系统总体设计影响小、运载能力损失小、对发动机技术要求低等优势，同时其利用空中飞行平台在空中对回收体能够进行勾取操作，避免了降落伞回收落点精度不高的缺点，具有定点回收优势；空中回收技术还避免了陆地回收的地形影响和着陆冲击，也避免了海上回收的高湿、高盐海水的影响，重复使用性好；空中回收的技术难度主要体现在空中平台对回收体+降落伞系统的空中挂取设计与操作上，运载火箭本身仅需做动力舱段分离和安装降落伞回收系统等适当改进即可，技术难度适中。

表1 不同回收方式对比Tab.1 Comparison of different recovery methods

开展运载火箭空中安全回收和重复使用技术研究，形成我国安全可靠的运载火箭子级回收技术，能够为大幅降低运载火箭的发射成本提供相关技术途径。

2）满足航天发射航区安全的需求。从地理位置来看，酒泉、西昌和太原三个发射场均处于内陆地区，随着我国经济社会的不断发展，航区和落区安全问题变得日益突出，现在每次发射都要投入大量人力、物力、财力疏散航区和落区群众，使航天发射成本增加。运载火箭发射的航区安全问题已成为我国航天发射亟需解决的问题之一。在空中回收重复使用运载火箭的发射任务中，通过飞机在空中对已完成任务的火箭子级实施回收，借助于飞机返回发射场或指定地点，这样就直接解决了落区安全问题。

3）我国各类高空试验飞行器及再入返回式飞行器回收需求。空中回收作为一种飞行器回收方式，其利用直升机等平台实施空中挂取回收，相关研究成果具有广泛的应用价值，形成的技术基础和技术储备，既可以推广应用到我国现役（在研运载火箭、重复使用飞行器等领域，也可以广泛应用到各类返回式卫星、空间飞行器、高空试验舱等），具有广阔的应用价值。国外特别是美国，在20 世纪60年代就开展了大量空中回收任务，在无人机、巡航导弹、卫星、航天器返回舱等高价值载荷回收任务中，空中回收技术得到广泛应用，直到21 世纪仍在开展返回式卫星的空中回收工作[10-16]。

4）带动航天技术创新发展，促进我国国防科技建设。实现运载火箭的重复使用，不仅要从运载器气动、材料结构、热防护、重复使用发动机、制导控制、着陆返回等关键技术开展攻关，还要从设计理念、标准规范、评价体系、运行模式等方面进行深度转变。开展子级重复使用运载火箭的研究，将进一步带动相关技术和学科的整体进步，推动航天航空技术融合发展，形成新的技术增长点，可大大促进我国国防科技建设。

前期，我国开展了一定空中回收系统技术的研究工作[17-19]，但针对运载火箭的空中回收技术尚未开展研究。

1 国外研究情况分析

由于空中回收技术具有无损、精确、快速、机动等优点，美国早在20 世纪60年代就已经针对回收侦察卫星、生物卫星、无人驾驶飞机、巡航导弹等航天器或飞行器开展了大量空中回收任务，如今已发展成为一种独立而完整的回收技术，其回收成功率由初期的65%提高到95%。直到21 世纪，美国仍在开展返回式航天器的空中回收工作，且首先提出了运载火箭的空中回收，并开展了试验验证[4-8]。

（1）各类飞行器空中回收技术的发展

美军于1958年8月1日在夏威夷成立了一个研究团队——6593 中队，使用C-119 运输机，以空中抓取的方式回收侦查卫星。1960年8月19日，经过改装的C-119 运输机成功回收代号“探索-14”的返回式卫星，正式开启了空中回收的历史[8]。

随着装备升级以及技术的日渐成熟，6593 中队开始执行更加多样化的回收任务，包括回收返回式卫星、高空试验舱、空射火箭和巡航导弹等等。至1972年，6593 中队共进行数百次的空中回收任务[8-9,18]。

1998年，美国宇航局实施了新世纪样品返回舱计划，其空中回收系统是美国洛·马公司研制，该系统首次引入了高滑翔比的冲压翼伞（如图1 所示），相关研究表明基于翼伞的空中回收系统具有诸多优点[8]。洛·马和Vertigo 公司共进行了22 次翼伞空中回收，全部成功，充分表明了翼伞空中回收系统的可靠性。2004年，美国还利用空中回收方式开展了“起源号”太阳风粒子探测器返回舱的回收工作[13]。

从20 世纪90年代初至2004年，美国相关科研机构实施的一系列直升机空中回收任务均取得了成功。

空中回收技术所采用的回收系统共经历了三个发展阶段，当前已发展到第三代空中回收系统，能够实现质量8000kg 左右的货物的安全可靠回收[8,17-19]。

（2）运载火箭空中回收的发展

图1 翼伞空中回收系统示意Fig.1 Demonstration of the parafoil air reecoveryl system

图2 挂钩开启和关闭状态[9]Fig.2 The hook in unlock and lock status

2007年，美国联合发射联盟（ULA）开展了“宇宙神-5”火箭动力舱段的空中回收技术研究，以降低发射成本。在2007年和2008年分别开展了第三代空中回收系统的应用试验研究，图2 所示为试验用挂钩样机，试验回收模型质量340kg，直升机最大过载1.2gn[9]。

2015年4月，ULA 对外公布“火神”火箭方案。“火神”火箭为两级半构型，火箭芯级直径为5m。在“火神”火箭的发展的第三阶段，将采用敏感模块自主返回技术（SMART）实现火箭一子级发动机回收及重复使用[4]。

火神火箭芯级主发动机为蓝源公司研制的BE-4液氧甲烷发动机，具备重复使用能力。SMART 技术回收流程如图3 所示，在一、二级分离后，火箭一子级动力舱段将脱离一子级，并在充气式热防护罩的保护下再入大气层，然后依靠降落伞减速，最后由直升机在空中回收。ULA 公司表示推进系统成本占整个一子级成本的65%，一子级发动机的回收利用将会使一子级推进系统成本降低90%。

2017年，洛·马公司开展了利用翼伞和智能挂钩系统实施火箭子级模型的直升机空中回收飞行试验验证，试验地点在苏格兰西南Mod West Freugh 滨海地区，试验采用两架直升机（一架负责投放子级模型，一架负责空中回收任务）在离地高度1400m 高度投放，1100m 高度实施空中钩取操作，试验取得圆满成功，验证了直升机空中回收火箭子级的可行性。

图3 SMART 技术回收流程Fig.3 The recovery process of SMART technology

2 运载火箭空中回收典型技术方案

运载火箭一子级空中回收典型流程如图4 所示，运载火箭从发射场发射后，当到达分离点时，一子级的主发动机关机，由二子级完成运送有效载荷到达预定轨道高度的任务；一子级分离后，利用反作用控制系统（RCS）调节一子级箭体姿态使其保持稳定，动力舱段与子级分离；动力舱段分离后，利用RCS 调节动力舱段姿态，使其分离面指向速度方向。回收舱段分离后，与地面建立无线链路通信，外弹道测量系统获取分离位置和速度；遥测数据和外弹道测量数据实时传送给回收指挥中心，回收指挥中心根据分离位置和速度、导航数据等参数快速确定预定落点区域，并迅速通知待命直升机前往。

回收舱段再入大气层前，充气式装置打开并充气，充气完成后充气罩展开，充气罩带着动力舱段保持自稳定状态再入飞行。在10km 左右的高度动力舱段打开降落伞系统实施减速；当下降到一定高度（2~4km），在落区范围待命的直升机进行空中挂取回收。

图4 运载火箭一子级空中回收典型流程示意Fig.4 The launch and aerial recovery of a launcher first stage

空中回收典型流程主要包括：

1）运载火箭上升飞行段：一子级点火、程序转弯、爬升，在77km 高度，一子级工作结束，与二子级分离，二子级继续飞行，直至入轨。

2）一子级惯性飞行段：一子级分离后，一子级无动力惯性飞行，期间利用RCS 使一子级箭体姿态保持稳定，动力舱段与一子级分离，利用RCS 调节动力舱段姿态，使其分离面指向速度方向，充气式装置打开并充气。回收舱段分离后，外弹道测量系统获取分离位置和速度，并快速确定预定落点区域，并迅速通知待命直升机前往可能落区。

3）再入返回段：充气完成后充气罩展开，充气罩带着动力舱段保持自稳定状态再入飞行。

4）空中获取段：当动力舱段下降到10km 左右高度时降落伞系统打开，降落伞将动力舱段速度减速到10m/s 以下；当高度下降到指定高度（2~4.0km），落区范围待命的直升机进行空中挂取回收，并安全运输至指定地点。

3 关键技术分析

（1）空中回收充气展开系统设计技术

充气式再入是一种在行星大气再入过程中利用充气形成的气动外形，进行防热、减速和着陆减震的再入技术。再入过程中，耐高温的柔性编织物折叠后包裹在再入载荷外围，并在进入大气层前充气，形成倒锥外形。充气展开系统能够有效保护再入载荷避免剧烈的气动加热，并有效地进行气动减速，最终以安全的速度着陆。

运载火箭空中回收中应用的充气式展开系统首先需要满足质量和安装布局等需求，其在下降过程中，起到气动稳定的作用，以简化控制系统和推进剂消耗量，其外形设计要求能够保证回收体整体处于气动稳定状态，同时满足最小质量和体积要求；在开展气动外形优化设计的同时，还须考虑下降过程中的气动热效应和防热设计，进行综合优化；另外，其具体结构设计也是难点之一。

（2）回收体空中获取技术

回收体空中获取涉及到降落伞系统的设计和直升机空中挂取设计。

降落伞的设计需要考虑多个方面的设计影响：首先，需要满足总体的质量指标和布局安装等设计要求，还需满足空中弹伞和开伞等要求；另外，开展空中回收，翼伞开伞后的横向速度和垂直速度设计需要与直升机空中操作的安全速度相适应，需要设计相关的钩挂子系统以便直升机实施空中挂取操作，要求翼伞系统能够适应空中回收而进行的改进设计；此外，翼伞还需满足一定的归航能力，使回收舱段的落区范围最小，保证直升机空中操作时间足够长。

空中获取技术涉及的难点主要有：直升机空中挂取流程设计，直升机旋翼气流对空中挂取装置稳定性和挂取过程的影响，挂取过程对直升机过载影响智能空中挂取系统设计。其中，智能空中挂取系统是实现直升机与翼伞+回收体系统安全可靠挂取的关键，需要其具备自动触发及防误触、单向锁紧、开闭状态自主判断、过载保护、过载测量与信号传输等功能。

（3）回收体与子级分离技术

空中回收的回收体一般为昂贵的动力舱段部分，动力舱段与子级的分离不仅涉及到箭体外部壳体的分离，还包括推进剂管路的分离。回收体与子级的分离是空中回收的关键步骤，要求回收体壳段与火箭子级壳段以及回收体的管路与火箭子级的管路可靠连接与分离。在分离时，由于分离界面连接复杂，且分离间隙较小，对于分离时的安全性要求较高。尤其对于液体输送管路而言，在飞行过程中需要保证推进剂输送顺畅，同时又要保证整个回收体管路密封可靠，能够按指令完成解锁、分离脱落动作。由于涉及到多个分离面，分离的同步性要求较高，这对于整个分离过程提出了更高的要求。