汪小衛(wèi) 鄭正路 張雨佳 吳勝寶 高朝輝

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部，北京 100076）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，重復(fù)使用成為未來(lái)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究工作[1-7]。實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，首先需要解決運(yùn)載火箭子級(jí)回收技術(shù)?？罩谢厥帐腔鸺蛹?jí)回收方式之一，具備無(wú)損、精確、快速、機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值。美國(guó)自20 世紀(jì)60年代以來(lái)已進(jìn)行了數(shù)百次的空中回收技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，近年來(lái)“火神”火箭和“電子號(hào)”火箭也針對(duì)空中回收技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)[8-9]，以期通過(guò)火箭重復(fù)使用降低發(fā)射成本，但目前仍處于技術(shù)攻關(guān)階段，尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。空中回收作為一種火箭回收方式，在廉價(jià)快速進(jìn)入空間、滿足航區(qū)安全、拓展各種類(lèi)型飛行器的回收、帶動(dòng)新技術(shù)發(fā)展等方面具有廣泛的需求，應(yīng)用前景廣闊。

1）滿足廉價(jià)、快速、可靠進(jìn)入空間的需求。子級(jí)回收和重復(fù)使用是降低火箭成本的重要途徑。開(kāi)展子級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭研究，通過(guò)“多次使用，費(fèi)用均攤”，可降低運(yùn)載火箭發(fā)射成本，提升我國(guó)火箭在國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。一般來(lái)說(shuō)運(yùn)載火箭子級(jí)回收主流方式有三大類(lèi)：傘降回收、垂直返回和帶翼飛回，其中傘降回收又可分為陸地、海上和空中回收三種類(lèi)型[3-4]。不同類(lèi)型回收方式有各自特點(diǎn)（如表1 所示），其中空中回收方式繼承了傘降回收技術(shù)的高成熟度，具有對(duì)運(yùn)載系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)影響小、運(yùn)載能力損失小、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其利用空中飛行平臺(tái)在空中對(duì)回收體能夠進(jìn)行勾取操作，避免了降落傘回收落點(diǎn)精度不高的缺點(diǎn)，具有定點(diǎn)回收優(yōu)勢(shì)；空中回收技術(shù)還避免了陸地回收的地形影響和著陸沖擊，也避免了海上回收的高濕、高鹽海水的影響，重復(fù)使用性好；空中回收的技術(shù)難度主要體現(xiàn)在空中平臺(tái)對(duì)回收體+降落傘系統(tǒng)的空中掛取設(shè)計(jì)與操作上，運(yùn)載火箭本身僅需做動(dòng)力艙段分離和安裝降落傘回收系統(tǒng)等適當(dāng)改進(jìn)即可，技術(shù)難度適中。

表1 不同回收方式對(duì)比Tab.1 Comparison of different recovery methods

開(kāi)展運(yùn)載火箭空中安全回收和重復(fù)使用技術(shù)研究，形成我國(guó)安全可靠的運(yùn)載火箭子級(jí)回收技術(shù)，能夠?yàn)榇蠓档瓦\(yùn)載火箭的發(fā)射成本提供相關(guān)技術(shù)途徑。

2）滿足航天發(fā)射航區(qū)安全的需求。從地理位置來(lái)看，酒泉、西昌和太原三個(gè)發(fā)射場(chǎng)均處于內(nèi)陸地區(qū)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，航區(qū)和落區(qū)安全問(wèn)題變得日益突出，現(xiàn)在每次發(fā)射都要投入大量人力、物力、財(cái)力疏散航區(qū)和落區(qū)群眾，使航天發(fā)射成本增加。運(yùn)載火箭發(fā)射的航區(qū)安全問(wèn)題已成為我國(guó)航天發(fā)射亟需解決的問(wèn)題之一。在空中回收重復(fù)使用運(yùn)載火箭的發(fā)射任務(wù)中，通過(guò)飛機(jī)在空中對(duì)已完成任務(wù)的火箭子級(jí)實(shí)施回收，借助于飛機(jī)返回發(fā)射場(chǎng)或指定地點(diǎn)，這樣就直接解決了落區(qū)安全問(wèn)題。

3）我國(guó)各類(lèi)高空試驗(yàn)飛行器及再入返回式飛行器回收需求?？罩谢厥兆鳛橐环N飛行器回收方式，其利用直升機(jī)等平臺(tái)實(shí)施空中掛取回收，相關(guān)研究成果具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，形成的技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備，既可以推廣應(yīng)用到我國(guó)現(xiàn)役（在研運(yùn)載火箭、重復(fù)使用飛行器等領(lǐng)域，也可以廣泛應(yīng)用到各類(lèi)返回式衛(wèi)星、空間飛行器、高空試驗(yàn)艙等），具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)外特別是美國(guó)，在20 世紀(jì)60年代就開(kāi)展了大量空中回收任務(wù)，在無(wú)人機(jī)、巡航導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天器返回艙等高價(jià)值載荷回收任務(wù)中，空中回收技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，直到21 世紀(jì)仍在開(kāi)展返回式衛(wèi)星的空中回收工作[10-16]。

4）帶動(dòng)航天技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)國(guó)防科技建設(shè)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用，不僅要從運(yùn)載器氣動(dòng)、材料結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)、制導(dǎo)控制、著陸返回等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展攻關(guān)，還要從設(shè)計(jì)理念、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、評(píng)價(jià)體系、運(yùn)行模式等方面進(jìn)行深度轉(zhuǎn)變。開(kāi)展子級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研究，將進(jìn)一步帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)和學(xué)科的整體進(jìn)步，推動(dòng)航天航空技術(shù)融合發(fā)展，形成新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，可大大促進(jìn)我國(guó)國(guó)防科技建設(shè)。

前期，我國(guó)開(kāi)展了一定空中回收系統(tǒng)技術(shù)的研究工作[17-19]，但針對(duì)運(yùn)載火箭的空中回收技術(shù)尚未開(kāi)展研究。

1 國(guó)外研究情況分析

由于空中回收技術(shù)具有無(wú)損、精確、快速、機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)早在20 世紀(jì)60年代就已經(jīng)針對(duì)回收偵察衛(wèi)星、生物衛(wèi)星、無(wú)人駕駛飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等航天器或飛行器開(kāi)展了大量空中回收任務(wù)，如今已發(fā)展成為一種獨(dú)立而完整的回收技術(shù)，其回收成功率由初期的65%提高到95%。直到21 世紀(jì)，美國(guó)仍在開(kāi)展返回式航天器的空中回收工作，且首先提出了運(yùn)載火箭的空中回收，并開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證[4-8]。

（1）各類(lèi)飛行器空中回收技術(shù)的發(fā)展

美軍于1958年8月1日在夏威夷成立了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)——6593 中隊(duì)，使用C-119 運(yùn)輸機(jī)，以空中抓取的方式回收偵查衛(wèi)星。1960年8月19日，經(jīng)過(guò)改裝的C-119 運(yùn)輸機(jī)成功回收代號(hào)“探索-14”的返回式衛(wèi)星，正式開(kāi)啟了空中回收的歷史[8]。

隨著裝備升級(jí)以及技術(shù)的日漸成熟，6593 中隊(duì)開(kāi)始執(zhí)行更加多樣化的回收任務(wù)，包括回收返回式衛(wèi)星、高空試驗(yàn)艙、空射火箭和巡航導(dǎo)彈等等。至1972年，6593 中隊(duì)共進(jìn)行數(shù)百次的空中回收任務(wù)[8-9,18]。

1998年，美國(guó)宇航局實(shí)施了新世紀(jì)樣品返回艙計(jì)劃，其空中回收系統(tǒng)是美國(guó)洛·馬公司研制，該系統(tǒng)首次引入了高滑翔比的沖壓翼傘（如圖1 所示），相關(guān)研究表明基于翼傘的空中回收系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)[8]。洛·馬和Vertigo 公司共進(jìn)行了22 次翼傘空中回收，全部成功，充分表明了翼傘空中回收系統(tǒng)的可靠性。2004年，美國(guó)還利用空中回收方式開(kāi)展了“起源號(hào)”太陽(yáng)風(fēng)粒子探測(cè)器返回艙的回收工作[13]。

從20 世紀(jì)90年代初至2004年，美國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)實(shí)施的一系列直升機(jī)空中回收任務(wù)均取得了成功。

空中回收技術(shù)所采用的回收系統(tǒng)共經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，當(dāng)前已發(fā)展到第三代空中回收系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量8000kg 左右的貨物的安全可靠回收[8,17-19]。

（2）運(yùn)載火箭空中回收的發(fā)展

圖1 翼傘空中回收系統(tǒng)示意Fig.1 Demonstration of the parafoil air reecoveryl system

圖2 掛鉤開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)[9]Fig.2 The hook in unlock and lock status

2007年，美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）開(kāi)展了“宇宙神-5”火箭動(dòng)力艙段的空中回收技術(shù)研究，以降低發(fā)射成本。在2007年和2008年分別開(kāi)展了第三代空中回收系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)研究，圖2 所示為試驗(yàn)用掛鉤樣機(jī)，試驗(yàn)回收模型質(zhì)量340kg，直升機(jī)最大過(guò)載1.2gn[9]。

2015年4月，ULA 對(duì)外公布“火神”火箭方案。“火神”火箭為兩級(jí)半構(gòu)型，火箭芯級(jí)直徑為5m。在“火神”火箭的發(fā)展的第三階段，將采用敏感模塊自主返回技術(shù)（SMART）實(shí)現(xiàn)火箭一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)回收及重復(fù)使用[4]。

火神火箭芯級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)為藍(lán)源公司研制的BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，具備重復(fù)使用能力。SMART 技術(shù)回收流程如圖3 所示，在一、二級(jí)分離后，火箭一子級(jí)動(dòng)力艙段將脫離一子級(jí)，并在充氣式熱防護(hù)罩的保護(hù)下再入大氣層，然后依靠降落傘減速，最后由直升機(jī)在空中回收。ULA 公司表示推進(jìn)系統(tǒng)成本占整個(gè)一子級(jí)成本的65%，一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的回收利用將會(huì)使一子級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)成本降低90%。

2017年，洛·馬公司開(kāi)展了利用翼傘和智能掛鉤系統(tǒng)實(shí)施火箭子級(jí)模型的直升機(jī)空中回收飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)地點(diǎn)在蘇格蘭西南Mod West Freugh 濱海地區(qū)，試驗(yàn)采用兩架直升機(jī)（一架負(fù)責(zé)投放子級(jí)模型，一架負(fù)責(zé)空中回收任務(wù)）在離地高度1400m 高度投放，1100m 高度實(shí)施空中鉤取操作，試驗(yàn)取得圓滿成功，驗(yàn)證了直升機(jī)空中回收火箭子級(jí)的可行性。

圖3 SMART 技術(shù)回收流程Fig.3 The recovery process of SMART technology

2 運(yùn)載火箭空中回收典型技術(shù)方案

運(yùn)載火箭一子級(jí)空中回收典型流程如圖4 所示，運(yùn)載火箭從發(fā)射場(chǎng)發(fā)射后，當(dāng)?shù)竭_(dá)分離點(diǎn)時(shí)，一子級(jí)的主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，由二子級(jí)完成運(yùn)送有效載荷到達(dá)預(yù)定軌道高度的任務(wù)；一子級(jí)分離后，利用反作用控制系統(tǒng)（RCS）調(diào)節(jié)一子級(jí)箭體姿態(tài)使其保持穩(wěn)定，動(dòng)力艙段與子級(jí)分離；動(dòng)力艙段分離后，利用RCS 調(diào)節(jié)動(dòng)力艙段姿態(tài)，使其分離面指向速度方向?；厥张摱畏蛛x后，與地面建立無(wú)線鏈路通信，外彈道測(cè)量系統(tǒng)獲取分離位置和速度；遙測(cè)數(shù)據(jù)和外彈道測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給回收指揮中心，回收指揮中心根據(jù)分離位置和速度、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等參數(shù)快速確定預(yù)定落點(diǎn)區(qū)域，并迅速通知待命直升機(jī)前往。

回收艙段再入大氣層前，充氣式裝置打開(kāi)并充氣，充氣完成后充氣罩展開(kāi)，充氣罩帶著動(dòng)力艙段保持自穩(wěn)定狀態(tài)再入飛行。在10km 左右的高度動(dòng)力艙段打開(kāi)降落傘系統(tǒng)實(shí)施減速；當(dāng)下降到一定高度（2~4km），在落區(qū)范圍待命的直升機(jī)進(jìn)行空中掛取回收。

圖4 運(yùn)載火箭一子級(jí)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）運(yùn)載火箭上升飛行段：一子級(jí)點(diǎn)火、程序轉(zhuǎn)彎、爬升，在77km 高度，一子級(jí)工作結(jié)束，與二子級(jí)分離，二子級(jí)繼續(xù)飛行，直至入軌。

2）一子級(jí)慣性飛行段：一子級(jí)分離后，一子級(jí)無(wú)動(dòng)力慣性飛行，期間利用RCS 使一子級(jí)箭體姿態(tài)保持穩(wěn)定，動(dòng)力艙段與一子級(jí)分離，利用RCS 調(diào)節(jié)動(dòng)力艙段姿態(tài)，使其分離面指向速度方向，充氣式裝置打開(kāi)并充氣?；厥张摱畏蛛x后，外彈道測(cè)量系統(tǒng)獲取分離位置和速度，并快速確定預(yù)定落點(diǎn)區(qū)域，并迅速通知待命直升機(jī)前往可能落區(qū)。

3）再入返回段：充氣完成后充氣罩展開(kāi)，充氣罩帶著動(dòng)力艙段保持自穩(wěn)定狀態(tài)再入飛行。

4）空中獲取段：當(dāng)動(dòng)力艙段下降到10km 左右高度時(shí)降落傘系統(tǒng)打開(kāi)，降落傘將動(dòng)力艙段速度減速到10m/s 以下；當(dāng)高度下降到指定高度（2~4.0km），落區(qū)范圍待命的直升機(jī)進(jìn)行空中掛取回收，并安全運(yùn)輸至指定地點(diǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）空中回收充氣展開(kāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

充氣式再入是一種在行星大氣再入過(guò)程中利用充氣形成的氣動(dòng)外形，進(jìn)行防熱、減速和著陸減震的再入技術(shù)。再入過(guò)程中，耐高溫的柔性編織物折疊后包裹在再入載荷外圍，并在進(jìn)入大氣層前充氣，形成倒錐外形。充氣展開(kāi)系統(tǒng)能夠有效保護(hù)再入載荷避免劇烈的氣動(dòng)加熱，并有效地進(jìn)行氣動(dòng)減速，最終以安全的速度著陸。

運(yùn)載火箭空中回收中應(yīng)用的充氣式展開(kāi)系統(tǒng)首先需要滿足質(zhì)量和安裝布局等需求，其在下降過(guò)程中，起到氣動(dòng)穩(wěn)定的作用，以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)和推進(jìn)劑消耗量，其外形設(shè)計(jì)要求能夠保證回收體整體處于氣動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)滿足最小質(zhì)量和體積要求；在開(kāi)展氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還須考慮下降過(guò)程中的氣動(dòng)熱效應(yīng)和防熱設(shè)計(jì)，進(jìn)行綜合優(yōu)化；另外，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是難點(diǎn)之一。

（2）回收體空中獲取技術(shù)

回收體空中獲取涉及到降落傘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和直升機(jī)空中掛取設(shè)計(jì)。

降落傘的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)方面的設(shè)計(jì)影響：首先，需要滿足總體的質(zhì)量指標(biāo)和布局安裝等設(shè)計(jì)要求，還需滿足空中彈傘和開(kāi)傘等要求；另外，開(kāi)展空中回收，翼傘開(kāi)傘后的橫向速度和垂直速度設(shè)計(jì)需要與直升機(jī)空中操作的安全速度相適應(yīng)，需要設(shè)計(jì)相關(guān)的鉤掛子系統(tǒng)以便直升機(jī)實(shí)施空中掛取操作，要求翼傘系統(tǒng)能夠適應(yīng)空中回收而進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)；此外，翼傘還需滿足一定的歸航能力，使回收艙段的落區(qū)范圍最小，保證直升機(jī)空中操作時(shí)間足夠長(zhǎng)。

空中獲取技術(shù)涉及的難點(diǎn)主要有：直升機(jī)空中掛取流程設(shè)計(jì)，直升機(jī)旋翼氣流對(duì)空中掛取裝置穩(wěn)定性和掛取過(guò)程的影響，掛取過(guò)程對(duì)直升機(jī)過(guò)載影響智能空中掛取系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，智能空中掛取系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)與翼傘+回收體系統(tǒng)安全可靠掛取的關(guān)鍵，需要其具備自動(dòng)觸發(fā)及防誤觸、單向鎖緊、開(kāi)閉狀態(tài)自主判斷、過(guò)載保護(hù)、過(guò)載測(cè)量與信號(hào)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

（3）回收體與子級(jí)分離技術(shù)

空中回收的回收體一般為昂貴的動(dòng)力艙段部分，動(dòng)力艙段與子級(jí)的分離不僅涉及到箭體外部殼體的分離，還包括推進(jìn)劑管路的分離?；厥阵w與子級(jí)的分離是空中回收的關(guān)鍵步驟，要求回收體殼段與火箭子級(jí)殼段以及回收體的管路與火箭子級(jí)的管路可靠連接與分離。在分離時(shí)，由于分離界面連接復(fù)雜，且分離間隙較小，對(duì)于分離時(shí)的安全性要求較高。尤其對(duì)于液體輸送管路而言，在飛行過(guò)程中需要保證推進(jìn)劑輸送順暢，同時(shí)又要保證整個(gè)回收體管路密封可靠，能夠按指令完成解鎖、分離脫落動(dòng)作。由于涉及到多個(gè)分離面，分離的同步性要求較高，這對(duì)于整個(gè)分離過(guò)程提出了更高的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)運(yùn)載火箭空中回收技術(shù)進(jìn)行了需求分析，對(duì)國(guó)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合典型運(yùn)載火箭空中回收總體技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)分析，得到如下認(rèn)識(shí)：

1）空中回收在廉價(jià)快速進(jìn)入空間、滿足航區(qū)安全、拓展各種類(lèi)型飛行器的回收、帶動(dòng)新技術(shù)發(fā)展等方面具有廣泛的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值；

2）空中回收作為運(yùn)載火箭回收方式之一，避免了陸上和海上回收的相關(guān)缺點(diǎn)，具有無(wú)損、精確、快速、機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)難度較小技術(shù)成熟度相對(duì)較高，在美國(guó)已具備了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；

3）空中回收能夠有效應(yīng)用于運(yùn)載火箭昂貴的動(dòng)力艙段的回收，回收方案和關(guān)鍵技術(shù)明確，可盡快開(kāi)展飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。