□李大光

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愈挫愈奮“獵鷹-9”火箭著陸回收又一次嘗試

□李大光

1月18日，美國太空探索技術公司（SpaceX）在加利福尼亞州范登堡空軍基地，用“獵鷹-9”火箭成功將Jason-3海洋觀測衛(wèi)星送入軌道。但在隨后的海上回收試驗中，沒能延續(xù)此前陸地成功回收的好運。如果此次“獵鷹9號”能夠成功實現(xiàn)海上著陸，將為公司創(chuàng)下第二座里程碑。去年12月，SpaceX成功讓一枚“獵鷹-9”一級火箭返回至卡納維拉爾角空軍基地的一個著陸平臺上，成為航天領域具有里程碑意義的重大事件，標志著可重復使用火箭技術邁出了一大步。

運載火箭回收經(jīng)歷了艱難的探索

去年，美國私人航天企業(yè)太空探索技術公司的升級版“獵鷹-9”運載火箭搭載11顆通信衛(wèi)星，于美國東部時間12月21日晚從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，更具意義的是在發(fā)射10分鐘后第1級火箭成功著陸地面平臺首次實現(xiàn)安全回收。從而向航天人幾十年的重復使用運載火箭的夢想又邁進了一大步。

讓運載火箭在海面平臺上著陸的概念已提出了幾十年，但此前從未有過這種嘗試。2011年，SpaceX提出了“垂直起飛，垂直降落（簡稱VTVL）”的一級回收復用方案。一級火箭分離后，在再入大氣層過程中重新開啟三臺發(fā)動機減速，在接近地面的時候打開4個支撐腿，并啟動一臺發(fā)動機，通過發(fā)動機推力的控制，使火箭垂直降落在著陸場上。這個相當“科幻”的重復使用概念，早在1990年就已經(jīng)提出，麥道公司(1997年并入波音)在1991—1996年間，曾經(jīng)開發(fā)了兩型“德爾塔”快帆驗證機，對相關技術進行飛行驗證。不過，“獵鷹-9”一級火箭的飛行高度和速度、控制難度，遠超出了“德爾塔”快帆的已驗證范圍。

從2012年開始，SpaceX利用“蚱蜢”技術驗證機，在德克薩斯州試驗場開展VTVL技術試驗。在先后8次的飛行中，最高飛行到了744米，并成功降落。但是，“獵鷹-9”火箭一級分離時，速度高達10馬赫，高度在45千米以上，還面臨嚴重的推進劑不沉底、氣動載荷、姿態(tài)失控、高空橫風等問題，這些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦無法驗證的。當年5月22日，“獵鷹-9”從卡拉維拉爾角發(fā)射場把美國太空探索技術公司研制的“龍”飛船第二次送入太空。10月8日，“獵鷹-9”從卡拉維拉爾角發(fā)射場把美國太空探索技術公司研制的“龍”飛船第三次送入太空。

2013年12月3日，美國太空探索技術公司的“獵鷹-9”1.1型運載火箭在卡納維拉爾角空軍站發(fā)射了盧森堡歐洲衛(wèi)星公司(SES)的SES-8商業(yè)通信衛(wèi)星。這是“獵鷹-9”火箭首次用來發(fā)射靜地軌道商業(yè)通信衛(wèi)星，標志著太空探索公司正式進入了商業(yè)航天發(fā)射市場，有可能打破全球商業(yè)發(fā)射服務業(yè)的原有格局，因而備受各發(fā)射服務商和衛(wèi)星運營商的關注。本次發(fā)射是“獵鷹”9火箭2010年以來的第7次發(fā)射，也是“獵鷹-9”1.1型火箭的第二發(fā)射。

2014年1月6日，空間探索技術(SpaceX)公司在卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射“獵鷹-9”火箭，將“泰通-6”商業(yè)電信衛(wèi)星成功送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。4月18日，SpaceX公司在利用“獵鷹-9”火箭和“龍”太空艙執(zhí)行國際空間站貨運補給任務過程中成功實施了火箭第一級“軟著陸”試驗。“獵鷹-9”火箭第一級降落到大西洋，但遭遇風浪襲擊損毀，未能完整回收。7月14日，太空探索技術(Space X)公司的“獵鷹-9”火箭成功將6顆軌道通信公司的“機對機”通信衛(wèi)星發(fā)送至低地球軌道。此次發(fā)射同時還對相關技術進行了測試，以實現(xiàn)SpaccX公司重復使用“獵鷹-9”火箭第一級以節(jié)省成本的目標。SpaceX公司計劃利用此次發(fā)射測試回收程序，包括：多級火箭分離后重新定向第一級，在海上降落、從佛羅里達海岸回收之前展開著陸支架。2014年，“獵鷹-9”運載火箭第一級兩次成功在海面垂直平穩(wěn)落水，為后來的試驗打下一定的基礎。

2015年1月10日，美國太空探索技術公司成功向國際空間站發(fā)射了龍飛船，后者正為該公司執(zhí)行向國際空間站第五次運貨任務。但此行的另一個任務——“獵鷹-9”運載火箭第一級海上回收嘗試以失敗告終，火箭在海面浮動平臺硬著陸并損毀。此次發(fā)射中最令人關注的是“獵鷹-9”運載火箭的第一級能否首次在沒有錨定的海面浮動平臺上精準著陸。6月28日，美國太空探索技術公司(SpaceX)發(fā)射一枚“獵鷹-9”運載火箭執(zhí)行國際空間站貨運補給任務，火箭升空2分半鐘后突然爆炸解體，事故導致為空間站運送約2噸物資的龍飛船也隕落，攜帶約2500公斤補給的貨艙也被炸毀。這是該公司第七次空間站貨運任務，原計劃第三次嘗試讓火箭第一級垂直降落在海上一艘無人船上的嘗試再次失敗。這是SpaceX公司自2012年以來第8次執(zhí)行空間站補給物資運送任務，也是第一次失敗。

去年底發(fā)射是6月“獵鷹-9”運載火箭升空后爆炸解體、補給空間站任務失敗之后的首次發(fā)射。此前，致力于研發(fā)新一代可重復利用的火箭推進系統(tǒng)的SpaceX曾兩次嘗試一級火箭在大西洋的海上漂浮平臺上著陸并回收，但火箭或直接墜入大海或因硬著陸而爆炸損壞，所以均告失敗。為提升地面回收的成功率，SpaceX使用了升級版火箭，并將著陸點從海洋轉(zhuǎn)移到陸地，從而獲得了成功。今年1月18日“獵鷹-9”第三次海上回收的視頻顯示，在“獵鷹-9”的一根著陸支架未能鎖定之前，此時火箭已經(jīng)精準的降落到海上駁船上，導致箭體翻倒繼而引發(fā)爆炸。SpaceX CEO 埃隆·馬斯克稱，“獵鷹9號”海上著陸失敗的“根本原因或是火箭在升空時，大霧凝結(jié)造成了冰集聚所致?！?/p>

2015年4月，美國軍方“御用”航天公司“美國發(fā)射聯(lián)盟”（波音和洛馬公司合資組建）在一次發(fā)布會上公布了其新一代軍用運載火箭部分設計詳情。這種新型運載火箭被定名為“火神”，新型火箭具有兩大先進技術，首先其第一級發(fā)動機可重復使用，其次它的第二級火箭在完成任務后可停留在軌道充當加油站，允許其他航天器與其對接并獲得燃料補給。預計這兩項技術將在2023-2024年后達到實用水平。

回收運載火箭的技術難度極大

如果人類能掌握火箭回收與重復使用技術，未來航天發(fā)射的成本有望大大降低。此前，沒有第一級火箭被回收重復利用的先例。SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克曾形容火箭使用的浪費程度，就和一架波音747客機僅作了單趟的跨大陸飛行就將它報廢一般。造價高昂的火箭自此擺脫“一次性”用品角色，從而大幅縮減太空旅行花銷，預期發(fā)射成本將降低99％。

目前，全世界絕大多數(shù)運載火箭都是一次性航天工具，其第一級火箭在完成分離后會墜落到陸上無人區(qū)或空曠海域，不可重復使用。這次回收到底有多難呢？運載火箭回收試驗有兩大難點：一是讓火箭第一級在分離后垂直下降，其難度就像在暴風雨中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上。二是精準降落在沒有錨定且只有足球場大小的浮動平臺上極其困難，其著陸精度要在10米以內(nèi)。太空探索技術公司在發(fā)射前謹慎承認，該試驗的成功率最多只有50％。因此，回收火箭首先要解決火箭著陸精度問題，要能夠回收到預定地點。其次，火箭要以垂直的姿態(tài)降落，必須解決姿態(tài)控制問題，越是豎長的物體，越難以控制。此外，要解決減速問題，必須是軟著陸，又不用降落傘，所以只能用反向推力裝置。而且，回收的過程是一個變速過程，因為火箭的燃料越來越少，所以在這個變速過程中如何始終解決好以上的幾大問題，難度非常高。據(jù)稱，可靠控制是由兩部分組成的，一部分是位于火箭上端的柵格舵，另一個就是發(fā)動機本身。

SpaceX吸取了之前幾次失敗的教訓，將以上三個方面控制得很好。同時，調(diào)高了安全系數(shù)，之前的幾次發(fā)射計劃都被推遲，就是要把所有可能出現(xiàn)的問題都解決掉，并等待最好的氣象條件。還有一個重要原因，這次回收從某種程度上講是降低了一定的難度，放棄了之前的海上平臺回收，而選擇在陸地回收。SpaceX此次沒有選擇通過海上平臺去回收火箭，而是直接在地面上回收。陸地上氣象條件更好，回收面積也可以更大，平臺更穩(wěn)定。還有就是增加了火箭動力，從而可利用額外動力使火箭第一級在著陸平臺上降落并回收。不過，在陸上降落可能意味著火箭在空中飛行更長，消耗的燃料更多。

嚴格來說，“獵鷹-9”運載火箭并非第一枚實現(xiàn)回收的火箭，而是第一枚成功實現(xiàn)回收的軌道運載火箭。因為去年11月24日，亞馬遜CEO杰夫·貝索斯旗下太空公司BlueOrigin成功將New Shepard火箭發(fā)射到約100.5千米的高度，火箭隨后又成功返回發(fā)射場。這是全球第一個發(fā)射升空后又完好無損返回地面的火箭。

那么，相對于上述可回收火箭，“獵鷹-9”運載火箭又先進在哪里呢？“獵鷹-9”的目標是將有效荷載運送到近地軌道，而New Shepard的目標只是將乘客送往亞軌道。New Shepard是試驗型亞軌道火箭，無論從飛行高度還是速度都和進行軌道發(fā)射的運載火箭不是一個量級。而“獵鷹-9”是一枚成熟的業(yè)務型軌道運載火箭，如何把有效載荷安全、可靠、經(jīng)濟地送入軌道，是它首先要考慮的問題，回收系統(tǒng)必須是在經(jīng)濟可承受范圍內(nèi)的試驗。而New Shepard則是一枚試驗性質(zhì)的火箭，可以把更多的重量放在這次軟著陸上。另外，“獵鷹-9”運載火箭第一級的長徑比遠遠大于前者，控制難度更大，回收難度更大。

總體上看，世界各國在重復使用運載火箭方面的研制仍處于起步階段。從垂直回收技術上來看，在回收過程中要通過火箭發(fā)動機在推力和方向上的不斷調(diào)節(jié)和調(diào)整來進行精確控制。這就需要運載火箭的推力有大范圍的推力調(diào)節(jié)能力，這對燃燒、渦輪泵、閥門等各組件要求很高。還需要解決大長徑比的發(fā)動機垂直降落的姿態(tài)控制、支撐結(jié)構(gòu)設計等一系列難題。更重要的是，回收系統(tǒng)不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，還要達到相當高的可靠性。另外，其重量、體積必須最小化。否則，它對于火箭來說是一個巨大的“累贅”。

可靠的回收只是火箭重復使用的第一步?；鸺闹貜褪褂脤τ诎l(fā)動機核心部件的性能和壽命提出了更高要求。目前火箭發(fā)動機的設計壽命、試車時間都是以秒為單位計算。對于一次性使用的火箭來說，保證材料和相關設計在短時間能頂?shù)米∈且粋€問題，而確保長壽命使用又是另外一個問題。美國航天飛機的主發(fā)動機的燃燒室壓強高達207個大氣壓，燃燒室的工作溫度約為3300度(目前最先進的渦扇發(fā)動機渦輪前溫度不到1700度)，其一個小小的渦輪泵的功率就是目前最先進主戰(zhàn)坦克發(fā)動機功率的數(shù)十倍。讓這樣的發(fā)動機順利工作一次就已經(jīng)非常困難，而要重復使用多次，那么對材料和工藝的要求將上一個巨大的臺階。

具有里程碑意義的標志性事件

研發(fā)可重復使用的火箭，大幅降低發(fā)射成本，可謂業(yè)界長久以來的夢想。以往的運載火箭都是一次性使用，成本很高，就好比一架波音747從紐約飛到洛杉磯之后就必須再重新制造一架。更為重要的是，可重復使用的火箭有助于人類實現(xiàn)前往火星的載人任務，搭載登陸火星的宇航員重返地球?？梢?，火箭成功自主回收具有跨時代意義，稱得上是航天發(fā)射史上的一次里程碑事件。

從發(fā)展的角度來看，重復使用將是未來運載火箭發(fā)展的必然趨勢，無論在商業(yè)上還是在軍事上都有巨大的價值。去年年底人類首次成功回收軌道運載火箭，是人類邁開運載火箭回收的第一步。這次的成功只是一個開始，意味著這項技術具有可行性，但想要真正掌握這一技術，還需要通過多次試驗驗證其可靠性，由成功變成成熟。一級火箭回收是第一步，接下來要驗證火箭的發(fā)動機是否可以重復使用，不過美國有著回收并重復使用航天飛機的經(jīng)驗和技術儲備。美國在掌握了這項技術之后，還將進一步驗證回收二級火箭的可行性。一旦這些技術可以完全實現(xiàn)，將大大降低航天發(fā)射成本，使人類航天發(fā)射的最大難題得到突破。如果回收并重復使用第一級，可以降低成本80％，而如果能回收并利用第二級將可以降低成本的98％。

不過，目前回收乃至重復使用火箭仍存在不小的挑戰(zhàn)。一次成功不代表完全掌握，距離技術成熟更有不小的距離。而火箭回收之后，能否經(jīng)過簡單修理，就可以加注燃料再次使用，這還需要驗證，美國之前的航天飛機就是因為回收之后維修的費用太高，加之航天飛機本身的費用太高，所以不得不放棄，因此這又是一道很大的難關。除了火箭的回收技術本身以外，還要提高火箭發(fā)動機的使用壽命。目前的火箭發(fā)動機，只需要工作幾十分鐘，然后就棄之不用了。實現(xiàn)可重復使用，對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、材料性能都是一個巨大的考驗。

美國太空探索技術公司SpaceX的“獵鷹-9”運載火箭順利完成首次垂直回收，這在世界航天史上寫下濃重一筆，為運載火箭的重復使用奠定了基礎。由于回收火箭的巨大好處，除了美國之外，歐洲、日本甚至印度都在對相關技術進行預研。2015年1月5日，法國航天局宣布，已開始與德國等政府開展小型技術研究項目，研制未來的液氧/甲烷燃料的可重復使用火箭級。10年前，法國曾與俄羅斯開展合作項目“貝加爾”，尋求可用于歐洲和俄羅斯火箭的可重復使用技術。隨后，法國航天局官員總結(jié)出配備可重復使用第一級的火箭系統(tǒng)每年需要發(fā)射40次才能確保該工作的價值，項目就遭到了擱淺。

中國一直在關注全球航天領域技術發(fā)展的最新趨勢。如今，運載火箭垂直著陸的可重復使用方案已在國外經(jīng)過飛行試驗驗證這對于中國航天來說無疑是一個機遇，同時也是一個不小的挑戰(zhàn)。目前，我國火箭可重復使用技術仍然處于探索階段，尚未實現(xiàn)工程應用。我國的載人飛船也是采用垂直著陸方式，因此，我國的火箭可重復使用技術研究或?qū)⒔⒃诖怪鄙导夹g基礎上。然而，重復使用的火箭對基礎工業(yè)和材料工業(yè)的要求將達到一個空前高度，而這正是中國航天業(yè)的薄弱點?？梢哉f，進行重復使用運載火箭的技術論證和研究工作，這是對中國航天工業(yè)的一個新考驗。（作者單位為國防大學）