垂直回收火箭风潮渐起——浅析各国如何谋划回收“大业”

文/ 田丰

2015年12月22日，太空探索技术公司（SpaceX）完成了猎鹰9火箭一级的首次回收；1年零3个月后，该公司首次重复发射回收翻修后的火箭一级，将SES-10通信卫星送入轨道，正式拉开了垂直起降部分回收运载火箭的时代。

截至目前，猎鹰9火箭服役已有10年，共执行95次发射任务，其中包含41次回收后的复用发射，占比约43%，且41次复用发射任务全部成功，成功率100%。此外，单芯级最多发射次数为6次，最短翻修周期已不足1个半月。“猎鹰9”的回收复用加之本身的低廉成本，直接冲击了“宇宙神5”“质子号”“阿里安5”等运载火箭的商业发射订单。

近年来，随着“猎鹰9”这种垂直起降部分复用运载火箭的可靠性和经济型逐步得到业界认可，其设计思路也逐步影响了世界各国火箭研发路线，多国相继开始了回收火箭的“真香”之旅。目前除“猎鹰9”所属的美国之外，中、俄、欧、日等都已开始在垂直起降可回收火箭上相继发力，立项或规划了多种技术验证机和火箭型号。

表1 目前各国现役或在研的垂直起降可部分回收运载火箭

“画风”突变的俄罗斯版“猎鹰9”

在对待复用火箭的公开态度上，“画风”转变最大的要数俄罗斯。从“猎鹰9”开始蚕食俄质子号火箭市场开始，俄官方就一直在质疑其复用设计。俄航天集团负责人曾公开撰文称太空探索技术公司利用高溢价的国防和美国宇航局发射订单变相补贴其商业任务，以此达到恶性压价抢夺市场的目的，低廉报价并非是回收和复用火箭的功劳。同时还称俄方会采用代号“贝加尔”的有翼回收助推器方案达成真正的回收降本。

“贝加尔”源自苏联时期能源火箭的可回收助推器方案，助推器配置有机翼、喷气发动机、进气道、起落架，采用垂直起飞水平滑行着陆的思路，但一直停留在设想阶段。

然而就在不久前，俄罗斯航天国家集团公司正式发布了其新一代商业化甲烷可回收运载火箭，该火箭名为“阿穆尔”（Amur）。火箭设计方案一改以往苏联遗产堆砌风，采用低成本商业化可回收火箭思路，并且结合俄本土特色规划了一套回收体系。

“阿穆尔”全箭采用液氧甲烷（天然气）推进剂，两级设计，一级采用垂直起飞反推回收的思路，装有5台RD-0169A发动机，海平面推力100吨左右。火箭二级为一次性使用，采用与一级同型发动机的真空版RD-169V，但仅安装一台，真空推力110吨左右。

阿穆尔火箭高55米，起飞质量360吨，直径4.1米，整流罩直径5.1米，一级安装有回收用的可收放支腿和栅格舵。近地轨道的可回收运力10.5吨，同时具备一次性发射能力，运力12.5吨，高于目前联盟2火箭的8.5吨运力。俄方称火箭贮箱将采用共底设计；在可靠性设计上，在大幅降低火箭零件数的同时，一级发动机还将具备推力冗余设计，在其中一台发动机发生故障关机的情况下，其余发动机可以增大推力并延长燃烧时间，以确保任务成功。除此之外，“阿穆尔”还预留了后续运力增强的设计空间，可配备“弗雷盖特”系列上面级来支撑高轨发射任务。火箭一级初期设计重复使用10次，成熟后结合回收及复用，每年将具备15次发射的能力。

▲ “阿穆尔”火箭着陆概念图

▲ 甲烷动力火箭“阿穆尔”概念模型

俄式特色回收体系

火箭回收方式与目前已经成熟的猎鹰9火箭的海上回收方案类似，一级分离后不会掉头飞回发射场，而是沿既定弹道方向回收。得益于俄罗斯地广人稀幅员辽阔的特点，火箭即使不掉头飞回发射场仍可在陆地着陆。目前暂定在俄哈巴罗夫斯克地区靠近鄂霍次克海的南部海岸着陆。

发射和回收过程中，“阿穆尔”一级的五台发动机在上升段全部点火工作。一级关机分离后，下降过程为减小箭体热流峰值，中央发动机会再次点火进行反推减速，下降段全程采用栅格舵调整火箭姿态和方向，直到着陆前中央发动机再次点火进行着陆反推。火箭着陆后会自动进行推进剂泄放，然后用专用设备收起腿和栅格舵，放倒后装入专用集装箱运回翻修场所。运输方案可选择传统的铁路运输返回，俄方还提出了使用米-26重型直升机调运的新方案。俄方表示，火箭翻修将大量应用无损检测手段，减少拆解和检修工作量。发射设施也会高度简化，采用全自动无人值守发射系统。为吸引游客还建有发射观礼平台，总装厂房增设独立参观通道。

目前俄方预估初步设计将花费4亿卢布，而从研发到火箭首飞将耗资700亿卢布。为从商业化角度出发并尽早收回投资，俄方表示阿穆尔火箭将积极竞标俄罗斯自建的“球”（Sphere）星座的发射合同，而且该火箭还将考虑作为俄下一代重型火箭的助推器。该方案类似“天顶”火箭，其一级曾作为“能源”系列重型运载火箭的助推器。俄方称回收且无上面级版本的发射成本低至2200万美元，一次性无上面级版本约为3000万美元，配备上面级后将提高至3500万美元左右。

“众神云集”——渐进成熟的欧洲回收火箭

欧洲正在研发的下一代主力运载火箭是阿里安6，这是标准的一次性运载火箭。其全面研发开始于2016年左右，当时“猎鹰9”的回收复用只不过初露端倪，所以“阿里安6”设计上意图通过简化贮箱和发动机设计，提高增材制造比例，采用通用固体助推器等方式降低火箭成本，意图重夺国际商业航天发射市场订单。因此，阿里安6火箭在性能上相对于前一代“阿里安5”反而有所倒退。但“阿里安6”自身研发成本不菲，未来发射成本和报价下降的空间相对有限；即使如期首飞可能也难以正面与复用的“猎鹰9”相竞争。因此，以法国为首的欧洲各国，也开始了复用火箭研发之路。

▲ 欧洲发动机成本路线

▲ 欧洲可回收火箭发展路线图

欧洲火箭多采用神话中的神祗命名，因此整个复用技术研发路线图可谓是“众神云集”。航天人常说——“火箭升空，动力先行”，整个路线图中最先启动的是重复使用发动机的研制。2017年由法国牵头，欧洲空间局资助8500万欧元，正式开始研发名为“普罗米修斯”的液氧甲烷发动机。该发动机推力百吨左右，为降低发动机成本，泵壳及叶轮将大量采用增材制造技术，设计上选用了简单的燃气发生器循环，成本目标为降至“阿里安6”一级发动机“芬奇2.1”的十分之一，即100万欧元，同时配以流水线化的生产模式，目标年产量可达到100台。欧洲后续可回收火箭项目均以此发动机为核心展开，参数详见表2。

表2 2017年公布的普罗米修斯发动机参数

除动力系统外，为验证回收过程中的制导／导航与控制技术，法国和德国各自研发验证飞行器，分别试用了不同的制导策略，重点集中在在线轨迹规划技术。之后的2017年，法国、德国联合日本开始研发名为“克里斯托”的垂直回收验证机，作用类似于太空探索技术公司的“蚱蜢”，为“普罗米修斯”及后续可回收火箭做技术储备。但限于规模和进度，“克里斯托”未能采用“普罗米修斯”发动机，而是将采用其他较小的变推力发动机做替代。“克里斯托”计划2022年具备验证条件，并开展10次左右的飞行试验，验证包括制导控制技术在内的垂直起降关键技术。

▲ 配备普罗米修斯的发动机舱

而“普罗米修斯”的正式登场则要等到名为“忒弥斯”的亚轨道垂直回收火箭，类似于太空探索技术公司的F9R，作为未来轨道级火箭一级的设计参考。“忒弥斯”预计采用7台“普罗米修斯”发动机，计划于2023-2025年之间开展验证飞行。“忒弥斯”成熟之后将为名为“阿里安 7”（又称Ariane Next）真正可垂直起降部分回收运载火箭提供设计支撑，因此“阿里安7”按规划要在2025－2030年间方可首飞。欧洲的方案可谓是循序渐进，步步为营，路线清晰可行，但进度和经费受自家“阿里安6”的挤占，目前的“阿里安7”的设计尚未明朗，即使能如期首飞，到时业界情况也难以预料。

不甘人后的日本和美国友商

日本的运载火箭发展路线与欧洲类似，在造价高昂的H-2系列火箭之后，规划了类似“阿里安6”的低成本一次性运载火箭H-3。但随着可回收火箭风头正劲，加之回收复用体系成熟和成本优势日益显露，日本也打起了可回收火箭的算盘。日本的思路是一贯的双面押宝，自研、合作双管齐下，除前文所述参与法、德、日三国合研的“克里斯托”计划之外，日本宇宙航空研究开发机构也独立研发了代号RV-X的验证飞行器。RV-X主要用于验证着陆段的制导控制技术，除开展垂直起降飞行试验外还为其后续国际合作积累经验。而最终用于实际轨道发射的回收火箭设计，日本仍在规划研究中。

有趣的是，作为太空探索技术公司所在国，美国其他火箭制造商对垂直起降回收思路反倒是应者寥寥，仅有“蓝色起源”一家采用类似思路。而最具实力的联合发射联盟在研的“火神”火箭，因芯一级仅采用两台BE-4发动机，难以进行垂直起降回收，只得另行规划了称为“智能回收”的发动机伞降回收计划。

▲ 普罗米修斯发动机

▲ “普罗米修斯”在工作台上

▲ 克里斯托垂直回收验证机

自从太空探索技术公司铺平了垂直起降回收复用道路后，美、中、欧、俄、日都相继开展了相关工作。纵观目前各国在研或规划中的垂直起降回收火箭，不难发现诸多共同点，虽然各家出发点互不相同，但结果却是“殊途同归”。首先各家的首要目的都是降低发射成本，以提高竞争力和发射频率，而回收复用能够有效降低成本的前提是一型火箭本身的研发和制造成本要相对低。反之，如果一款复用火箭本身研制成本高企不下，即使能够复用，其成本依然难与一次性火箭相较高下，航天飞机黯然退役的结局殷鉴不远。因此各家在设计上大多采用同一种发动机的不同版本，发动机的循环类型以设计简单成本低的燃气发生器循环为主，还普遍采用了增材制造技术。

▲ “蚱蜢”系留试验

除此之外，考虑发动机翻修条件，新研回收火箭不约而同采用了低积碳（结焦）的液氧甲烷作为主要推进剂组合。同时因液氧和甲烷沸点温差仅20摄氏度，贮箱共底难度相对其他推进剂组合大幅降低，多型火箭采用了共底设计，从侧面拔高了火箭性能。还有发动机的并联设计和变推力性能也为提高火箭可靠性的动力冗余设计提供了强有力的支撑。目前虽然一次性运载火箭仍是绝对主流，但这股复用火箭之风呈渐盛之势，足见业界已经对回收复用火箭是否可行、是否省钱、是否可靠3个关键问题有了初步的答案。 ★