“伞降海捞”和“垂直反推”谁才是火箭实验室的“真爱”

文/田丰

2023 年7 月18 日，火箭实验室公司（以下简称“公司”）的电子号小型运载火箭执行了其第39 次发射，此次发射中，火箭成功将7 颗小卫星成功送入太阳同步轨道。但本次任务中最受关注的并不是载荷，而是公司首次采用“箭体伞降，缓降落海，船只打捞”的新方案尝试回收火箭一级。

▲ 打捞电子号运载火箭一级

回收方案大改“空接”变成“海捞”

“电子号”是一款高18 米，直径1.2 米，起飞质量12.5 吨，低轨运力仅有300 千克的两级小型运载火箭。该火箭原始设计是传统一次性运载火箭，然而受近年来火箭回收风潮的影响，公司于2019 年决定采用降落伞缓降+直升机空中捕获的方式进行回收。“电子号”是液体运载火箭，采用碳纤维复合材料贮箱，不同于航天飞机时代曾采用伞降落海回收的钢壳固体助推器，落海的冲击和水中的盐分都有可能对“电子号”的贮箱、发动机和航电设备造成损伤和腐蚀，因此公司经评估后一直力图从空中“捕获”火箭，从而减少复用翻修的工作量。

此后，经过为期3 年的再入防热、伞降控制、直升机跟踪等各项实验后，公司在2022 年两次尝试使用直升机机体下方的专用捕获钩“拦截”箭体。2022 年5 月的首次试验中，直升机成功捕获箭体，然后再将箭体投放至专用回收船上，但捕获后直升机机组发现下方悬吊的箭体与之前模拟箭体重量不同，安全起见机组只能切断绳索，让箭体坠落水面，试验宣告失败。2022 年11 月，第二次试验中因箭体遥测信号丢失，安全起见只得放弃回收，试验再次失败。

两次失败的试验结果，加上对落海后打捞箭体的评估分析，2023 年公司毅然决定直接放弃高风险的“空接”环节，直接在发射中尝试“伞降缓落+海上打捞”的新回收模式。

此次发射的火箭升空约2 分30秒后，一二级按发射程序正常分离，二级点火后继续正常执行任务。而一级关机分离后开始下降，首先打开引导伞稳定箭体姿态，随后降落伞打开减缓箭体下落速度，同时携带的信标系统持续发送箭体坐标。

箭体平稳落水后，专用回收船将其成功打捞，公司宣布试验成功，并表示打捞后的火箭一级状态良好，不过尚不能给出实现重复使用时间表。在后续进行若干次相关试验后，有望在今年晚些时候先行实现发动机的回收复用。

空接历史“悠久”方案不断迭代

在回收方式的迭代中，从“捕获”向“打捞”转变并非火箭实验室公司的专利，太空探索技术公司在尝试利用带网回收船捕获猎鹰9 火箭整流罩的试验过程中，也曾因捕获难度高、气象条件制约显著，最终宣告放弃捕获，改为落海后打捞。一项创新技术和模式，势必在试验过程中不断尝试和总结，在遭遇瓶颈和获取足够支撑数据时及时调整成新的可行方案是完全合理的。

不过纵观航天史，用飞机从空中捕获伞降物并非“技术突破”。早在冷战时期美国国家侦察局研发“锁眼”系列侦察卫星时，限于当时的技术水平，“锁眼”早期型号的遥感图像只能储存在特制胶卷中，并放置在小型返回舱中，拍满后返回舱与卫星分离并再入大气层。返回舱打开降落伞后即由带有捕获钩的固定翼飞机在空中捕获。根据历史数据，空中捕获方案受制于落区天气、飞行员操作水平等不可控因素影响，回收成功率不足70%。而电子号火箭一级无论是体积、重量都远高于胶卷返回舱，回收难度更高，所以空接试验屡屡失败也在情理之中。

有“锁眼”返回舱的“教训”在前，火箭实验室公司为何还采用这种方案呢？业界普遍认为这是火箭自身体量和技术水平掣肘下的无奈之举。若采用“猎鹰9”垂直起降方案，不仅需增设多种设备，还需预留回收反推用推进剂，使有效运力骤减，这对运力本就不大的“电子号”而言几乎是不可行的。因此，公司不得不另辟蹊径。此外，“电子号”采用电池驱动的电动泵循环，为减轻死重采用了上升段电池可抛的设计，如果改为垂直起降方案，发动机就必须重复启动并维持工作；还有为保证反推时发动机的稳定工作，贮箱也需要额外的推进剂沉底改造，这就不得不对“电子号”的原设计进行大刀阔斧的修改。这些变更不仅有可能拖慢“电子号”的发射频度，还有可能影响型号成功率。根据消息，“电子号”配备伞降回收设备将导致10%～15%的有效运力损失，运力下降幅度显著小于垂直起降方案。

在2022 年两次失败的空中捕获尝试后，公司重新评估了其风险和难度，尤其是空中捕获失败落海的火箭经过打捞和评估后，公司认为落海的火箭状态仍可接受，甚至声称部分零部件已具备重复使用的条件。因此，2023 年3 月公司明确表示将放弃直升机空中捕获的方案。而且公司还为火箭回收船增配了新的起重机和平台，以减小将火箭从海面捞起时受损的可能。

单发复用小试牛刀

除了回收船的改进，公司还在箭体结构中加入了额外的防水材料，并强化了航电舱和发动机的密封结构。公司认为结合海况和任务性质，仅有50%的发射可以开展空中捕获，而改为落海打捞后则可提升至70%。公司表示虽然落海回收会导致部分零部件无法复用，但是对比直升机空中捕获的费用和成本，两者的经济性基本持平。此外，公司表示后续将根据任务的性质和客户要求，仅在部分任务中使用复用火箭。这一说法与2017 年“猎鹰9”刚开始复用发射后类似，但事实上随着回收火箭可靠性的不断累积，太空探索技术公司逐步扩大复用火箭的适用范围，现已在军用、商业、载人任务中普遍使用复用火箭，单芯级最高复用次数已经高达17 次，而全新火箭发射反倒成为稀罕事儿。

▲ 碳纤维贮箱试验件

▲ 首次复用发动机发射，也是“电子号”第40 次发射

就在火箭实验室公司宣布“空接”改“海捞”一个月后，8 月23 日，“火箭实验室”又成功进行了一次发射，将卡佩拉航天公司（Capella Space)的一颗空间雷达成像卫星送入轨道。但此次发射最引人瞩目的是电子号火箭一级9 台“卢瑟福”发动机中，有一台是之前泡水回收后翻修的复用发动机。这是人类航天史上第一次在轨道级发射中公开复用海水浸泡后翻修的发动机，打破了液体火箭发动机泡水不能复用的禁忌。

一般认为液体火箭发动机结构精密复杂，被具有腐蚀性的海水浸没后几乎失去复用价值，此前从未有过液体火箭发动机被水泡后进行翻修发射的记录。但公司在实际打捞回收后，重新评估了发动机状态，加之“卢瑟福”发动机本身“电动泵”循环的特殊结构（没有燃气发生器），再加上额外的密封结构，使之具备了水泡后重复使用的可能。公司表示，这台复用发动机已经过多次点火试车验证，在此次发射中表现堪称完美。

此次发射复用的发动机来自前文提及的2022 年5 月的发射，这次回收试验中虽然切断缆绳使火箭掉落海中，但最终还是被回收船成功打捞，发动机经拆解检查和翻修后用于此次任务。“火箭实验室”表示，这次发动机复用发射为后续的一级整体复用提供了充足的信心。后续还将继续摸索，年内准备复用整个水泡的火箭一级。但公司并未透露具体的时间表，仅表示将在年内进行。

新火箭改用垂直反推

虽然“火箭实验室”在伞降回收模式上“渐入佳境”，但并不代表这家公司要在“伞降+打捞”模式上“一条路走到黑”。2022 年，“火箭实验室”高调宣布研发名为“中子号”的新型火箭，该火箭高42.8 米，直径7 米，起飞质量480 吨。其体量远超现役的电子号火箭，随之而来的就是“中子号”进行伞降回收的难度陡增。因此公司在发布会上明确表示将采用类似“猎鹰9”的垂直起降方案。但为体现差异化，公司设计出超长的一级箭体，整流罩直接连接在一级顶端，形成了“罩箭一体”的方案，而火箭二级和载荷则被整体包裹在超长整流罩内，变成了类似“半人马”的“罩内上面级”。如此一来，火箭一级和整流罩就可一次性整体降落在 回收平台上，而不必分别实施回收。

▲ 安装完翻修发动机后的一级，可见一台发动机喷管颜色较深

▲ 卢瑟福电泵循环发动机

众所周知，“火箭实验室”是火箭回收“武林大会”中“伞降派”仅存的“独苗”。但实际上公司目前真正的设计重心是早早皈依“反推派”的“中子号”，而目前伞降回收得到的试验数据也在用于“中子号”的迭代设计中。“中子号”的运力区间恰好与如日中天的“猎鹰9”重叠，由此可见火箭实验室公司对10 吨级载荷觊觎已久，“中子号”才是未来数年间公司倾力打造的主力火箭。自去年首次公布后，火箭实验室公司不断更新“中子号”的最新设计和进展，足见其重视程度。

“中子号”的动力系统经过多轮迭代，发动机配置模式与自家“电子号”如出一辙，全箭只采用一款代号“阿基米德”（Archimedean）的发动机，一级9 台并联，二级为1 台真空版。但为配合垂直起降回收方案，推进剂组合变为有利复用的液氧甲烷组合。同时发动机推力大增，推进剂的泵送功率需求也随之大涨，而“卢瑟福”发动机的电动泵循环难以满足要求，因此“阿基米德”放弃了自家招牌的电动泵，改为“传统”的富氧分级燃烧循环（oxygen rich staged combustion）。公司宣称该发动机并不追求极限性能，而是着眼于成本和可靠性，单机支持10～20 次发射。

除此之外，这次迭代还有4 点变化：首先是整箭的外形从前期的“水滴”形优化为传统的“雪茄”形，公司表示这是经过气动分析的改进。而按照惯例，这种外形也有利于提高整箭干质比。

其次是整流罩大幅缩短，从原设计的四瓣可开合式变成两瓣可开合式。这样，罩内包络的火箭二级和载荷就从“半人马”式分离变成了“子弹出膛”式分离，需要在罩内往前冲一段才能出罩，虽然会有碰撞风险，但已有成熟方案进行处理。该变更的优势很明显，整流罩开合结构明显简化，机构更可靠，结构重量也会下降。

此外，随着整流罩开合部分缩短，控制翼面顺势前移，相当于火箭的气动中心前移了，可以更好地控制箭体姿态。

最后，着陆腿改成“猎鹰9”式的可开合形式，而非最初的固定式。虽然这会导致着陆机构更重更复杂，但支腿展开面积更大，着陆裕度显著增大。

此次更新后，公司也更新了不同回收模式下的运力水平。返场回收的近地轨道运力为8 吨，而海上回收模式为13 吨，一次性发射模式下15 吨。公司认为返场回收是理想状态，无需考虑一级的周转周期，也无需动用回收船。但公司表示13 吨的近地轨道运力是客户综合考虑后的最佳运力区间，因此公司优先以海上回收为蓝本进行设计。而更大的可展开着陆腿，正是为适应海上回收时甲板会随海浪晃动而做出的设计改进。

“中子号”二级采用一次性设计，因此公司称目前研发重心首先是降低成本，然后就是降低二级干重，二级每减少1千克重量都代表多携带1千克载荷。公司谨慎维持2024 年首飞中子号火箭的时间表，但不排除推迟的可能。

总的来说，“中子号”的设计从侧面印证了“猎鹰9”式的垂直起降方案确实已经成为近年来火箭回收的“标准范式”。即使是伞降回收领头羊的火箭实验室公司，也不得不在新火箭运力跃升后改为垂直起降回收方式。但各厂家自己也在发力改善“猎鹰9”回收方案的一些不足之处，比如“猎鹰9”整流罩需要单独回收这一点就被火箭实验室公司看在眼里，提出了全新的“罩箭一体”方案。这一方案如果成功，相对于“猎鹰9”，将彻底免去大海上捞整流罩的操作，进一步提高火箭的可回收比例，不失为一种新的思路。

总的来讲，“电子号”伞降回收的这轮优化迭代不失为火箭复用领域的一次有益尝试，尤其是对水泡发动机的翻修和复用，更是打破了火箭回收的思维定式。正所谓“一枝独秀不是春，百花齐放春满园”，越来越多的火箭回收方式使复用理念得到了前所未有的普及。

作为一家同时使用“伞降海捞”和“垂直起降”两种回收方案的公司，对两种回收方式的优劣可能深有体会。

伞降回收有投入少技术门槛低的显著优点，尤其是摆脱对发动机深度节流、多次启动、着陆缓冲机构、栅格舵和飞控算法的等关键技术的需求。理论上伞降回收仅需伞舱、定位信标和一艘回收船即可开展。但伞降回收的缺点也显而易见，其对火箭自身规模、海况、安全性的限制，使其短期只能在中小型火箭上应用，难以撼动已经成熟的垂直起降回收方案。

自2015 年12 月“猎鹰9”首次成功回收算起，垂直反推方案经过太空探索技术公司长达8 年的摸索、完善、打磨，已经成为一套成熟完善且降本效果显著直接的回收模式。尤其可贵的是，它保持了复用火箭发射成功率100%的纪录。虽然其对火箭自身动力、防热、飞控、材料等的严苛要求使这一方案至今仍无第二家能够完成，但垂直反推模式已经被俄、欧、日、中等国所接纳和采用。而且，该方案在“星舰”上的成功运用更显示了反推回收方案对火箭体量的强大适应性。“中子号”能否成为垂直反推回收阵营的第二位实践者，让我们拭目以待。