向鋒范

火箭對現(xiàn)代人來說并不陌生，并且它的存在也與我們的生活息息相關：通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導航衛(wèi)星等通通需要火箭將它們送上天;進行太空探索任務的航天飛船也離不開火箭;有些火箭還承擔著保衛(wèi)國家領空的作用。

火箭作用這么大，我們已經(jīng)完全離不開了，但是箭身、發(fā)動機和內部的精細裝置等導致火箭的造價高達數(shù)億元，而每次使用后火箭要么爆炸解體要么墜地身亡，天價制造費都打了水漂。那么火箭能不能回收利用呢？

方案一：裝上降落傘

飛機起飛前，空乘們一定會做這樣一件事：告訴乘客降落傘的收納位置和使用方式，因為這是飛機即將墜毀時乘客們唯一的保命神器。降落傘能極快地減小降落速度，從而減小墜落到地面時的動能，讓人們不會摔死。那么，給高速墜落的火箭裝上一頂巨大降落傘，火箭會不會也能平穩(wěn)降落，而不是墜毀呢？

其實，給降落的龐然大物裝上降落傘并不新鮮，早在20世紀50年代，蘇聯(lián)就曾經(jīng)用降落傘降落的方式成功回收了小型氣象火箭MR-1。還有我國的神舟系列載人航天飛船的返回艙，在距地面10千米左右時，就會打開多個足球場大小的降落傘，使返回艙的速度緩緩減小，實現(xiàn)軟著陸。因此，給火箭裝降落傘是回收火箭的首選方案。

不過，讓火箭自己“打開降落傘”目前還是有點勉強，第一個難點是火箭太大了。與發(fā)射大型飛船的運載火箭相比，前蘇聯(lián)成功回收的MR-1就是一個“小矮人”，比如美國SpaceX公司研制的獵鷹9號火箭，僅僅是第一級箭身，高度就超過40米，不包含燃料的空殼火箭的重量都超過20噸。目前最成功的超音速降落傘最大也只能承載3噸左右的載荷，對于獵鷹9號這樣的大塊頭，降落傘根本拉不住，速度降不下來。

第二個難點是降落地點很難控制，畢竟火箭上根本沒有人，什么時候打開降落傘，火箭最終降落在什么位置都是未知數(shù)。以液氧和液氫等液體燃料作為能源的液體火箭目前仍然是各國使用最多的火箭。液體火箭的箭身內部工藝很復雜，這種火箭如果降落在了海上，進水后就報廢了，即使回收了，修理費用也非常高昂。

出于以上種種考慮，美國太空發(fā)射聯(lián)盟公司提出了一個叫做“聰明回收”的回收火箭方案：第一級火箭燃料燒完后，將箭身與發(fā)動機分離。發(fā)動機開啟減速裝置，減至亞音速后再打開降落傘，飛行員駕駛一輛直升機在空中掛住降落傘，防止發(fā)動機掉入海中。這樣，就可以在空中成功回收較輕而且造價也較高的發(fā)動機了。

2020年3月，中國率先用上了與“聰明回收”類似的方法。中國用長征三號乙運載火箭成功發(fā)射第54顆北斗導航衛(wèi)星，之后用傘降技術成功回收了火箭助推器。火箭的助推器上安裝了多個降落傘，在墜落過程中，研制人員需要找到一個準確的開傘時機，讓降落傘最高效地發(fā)揮作用。為了準確地抓住這個時機，研制人員在助推器上安裝了一套測量裝置，能夠實時監(jiān)測到助推器的位置和姿態(tài)。開傘后，助推器的降落速度和降落范圍都大大縮小了，研制人員在殘骸墜落后能迅速找到落點位置，并回收助推器和剩余燃料。

方案二：反向“開”回來

你有沒有玩過回力鏢？它是一個“V”形的木棒，最初是澳大利亞原住民的狩獵工具，現(xiàn)在成為了孩子們的玩具。如果你能順著風向，用適當?shù)牧Φ篮徒嵌葤伋?，回力鏢在飛到盡頭后會掉個頭原路飛回來，而不是在重力的作用下豎直下落。這是因為回力鏢“V”字的兩端受到的空氣摩擦力不平衡，在抵消掉重力的影響后，多出來的摩擦力就會迫使回力鏢掉頭了。我們回收火箭不也想要這樣的結果嗎？火箭不會在重力的影響下墜毀，而是平穩(wěn)地落地，回力鏢的原理能不能用到火箭上呢？

火箭打開降落傘

俄羅斯的帶翼火箭

2018年，美國SpaceX公司成功用相似的方法回收了“大塊頭”獵鷹9號火箭。當火箭的第一級將目標送達預先設定的高度時，燃料用盡，第一級與火箭其他部件分離，此時第一級在慣性作用下繼續(xù)前進一小段距離后就該豎直下落，然后在大氣層中燒毀或墜毀在地表，但獵鷹是個例外。

在高空中向上發(fā)射時，獵鷹原本是頭朝上、腳朝下的狀態(tài)，墜落時方向掉轉，獵鷹將或傾斜或豎直地頭朝下栽倒?？蒲袌F隊在箭體上安裝了一個高壓氮氣噴射裝置，在氮氣的推力作用下，獵鷹在空中完成了一次華麗的掉頭，原本應朝向地面的頭部轉而朝上，變成了沿著回收軌跡頭上腳下的姿態(tài)。

掉頭只是開始，其實科學家們真正的目的是給火箭一個向上的升力，從而平衡火箭受到的向下的重力，讓火箭在墜落時能慢下來。為了達到這個目的，在完成轉身動作后，科學家將再次點燃火箭，這樣飛速墜落的火箭就獲得了一個上升的動力，下降的速度將快速減小。

在獵鷹第一級火箭的整個下落過程中，它將三次點火，火焰每次燃燒時間只有半分鐘左右，這是因為下墜時尾部將遭遇迎面而來的超音速氣流，這些氣流可以撲滅火焰或者將火焰吹向火箭前端，讓火箭“引火燒身”。因此，少量多次地點火，并在有限的時間里運用升力減速和調整方向也是這種回收技術的重難點。

但是，還有一個問題，火箭在剛開始下落時幾乎是“平躺著”，而在下落的過程中則會受到方向、強度各不相同的空氣阻力的影響，最終可能傾斜著砸到地面上，火箭箭身會損壞，甚至可能會發(fā)生爆炸。因此，需要“扶正”火箭，讓它能盡可能豎直地落到地面上，這時候，柵格舵就發(fā)揮了作用。

柵格舵顧名思義，就是一片由許多個柵格組成的“船舵”，它平時平貼在火箭的中后部，需要時會展開并與箭身垂直，火箭上通常會配置四片柵格舵。小鳥飛行時，風在翅膀上的不同位置施加的推力是不同的，推力的差別可以控制小鳥的行進方向。柵格舵正是模仿了小鳥的翅膀，通過改變舵面大小、柵格數(shù)量和厚度等改變風力作用在舵面上所產(chǎn)生的不同大小和方向的推力，從而調整箭身的前進方向、降落位置和落地姿勢。

除了獵鷹火箭，美國藍色起源公司的新謝潑德火箭也采用了這個方法進行回收。因為這款火箭飛行高度低，比獵鷹火箭更加“矮小”的緣故，它早在2016年就成功實現(xiàn)了回收，并且多次重復使用，在2019年底實現(xiàn)了第四次發(fā)射和回收。因此可以說，“掉頭飛回”的火箭回收方法已經(jīng)越來越成熟了。

此外，俄羅斯的帶翼火箭回收技術也在研發(fā)中。他們設計了帶展開翼的助推器，長長的機翼可以收起和展開，展開翼的功能與柵格舵類似，同樣可以調節(jié)受力和前進方向，同時也起到提供升力的作用。如果這個設想能實現(xiàn)的話，未來火箭也許會像飛機一樣“飛”回來。

火箭回收是一項非常復雜的技術，它同樣代表著各國航天水平的高低，希望我國也能早日實現(xiàn)火箭回收復用。