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2015年12月22日，美國太空探索技術(shù)公司（Space-X）用獵鷹-9火箭成功發(fā)射了軌道通信公司的11 顆小型通信衛(wèi)星。這不僅是獵鷹-9火箭自2015年6月28日發(fā)射失敗以來的首次發(fā)射以及升級版獵鷹-9火箭的首次使用，更重要的是獵鷹-9火箭在世界上首次成功進(jìn)行第一級有動力垂直回收，從而在人類歷史上率先驗證了軌道運載火箭的回收技術(shù)，為未來打造可重復(fù)使用運載火箭，大大降低運載火箭發(fā)射成本奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。 回收火箭意義重大
眾所周知，目前的運載火箭都是一次性使用的，長久以來航天發(fā)射成本居高不下，發(fā)送質(zhì)量1 kg物質(zhì)上天的成本約為1～2萬美元，大大影響了人類開發(fā)太空的規(guī)模和效益。比如，作為目前世界上最便宜的獵鷹-9 火箭總造價約為5000多萬美元，而其推進(jìn)劑的成本只有20萬美元。因此，如能夠回收火箭，經(jīng)過簡單維修后再重復(fù)使用，則可以極大降低發(fā)射成本。Space-X自設(shè)計之初就一直在研究如何回收以及重復(fù)使用獵鷹-9火箭的有關(guān)技術(shù)。如果能回收并可低成本重復(fù)使用獵鷹-9 火箭的第一級，可降低火箭成本80%；如果第一二級火箭都能回收并低成本重復(fù)使用，則可降低火箭成本的99%。Space-X總裁馬斯克曾表示，可重復(fù)使用火箭將使空間探索成本降低兩個數(shù)量級。 另外，回收火箭還能保障地面人員和財產(chǎn)的安全，避免火箭殘骸落入民居損壞財物甚至傷人。如果最終能夠研制出低成本的可重復(fù)使用火箭，也意味著屆時可以設(shè)計出比現(xiàn)在便宜得多的衛(wèi)星，而不必再花費大量資金來確保其長壽命的工作狀態(tài)——如果衛(wèi)星壞了，再發(fā)射一顆填補空缺便是。 美國政府在“三角快帆”等垂直起降重復(fù)使用驗證機相繼失敗后，更多地關(guān)注試驗性太空飛機-1等帶翼水平返回的重復(fù)使用技術(shù)方案。此次Space-X在這一技術(shù)方案上的成功可能會很大程度上影響到未來重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展的方向。 當(dāng)然，首次成功回收火箭第一級是研制可重復(fù)使用火箭的第一步，以后還需多次試驗，由成功變?yōu)槌墒?；接著，還要突破和掌握回收第二級技術(shù)；最后是突破和掌握經(jīng)過低成本維修后的重復(fù)發(fā)射技術(shù)。
至今，載人航天最大瓶頸之一就是成本太高，因而限制了進(jìn)入太空的人數(shù)。從長遠(yuǎn)看，如果低成本可重復(fù)使用的火箭技術(shù)取得實用性進(jìn)展，就能大大加速人類進(jìn)入太空的步伐，使人類探訪甚至移居其他星球的夢想成真。 火箭回收的關(guān)鍵技術(shù) 早在20世紀(jì)90年末，美國麥道公司就開始用“三角快帆”（又叫“德爾他快帆”）飛行器試驗動力反推垂直下降技術(shù)。“三角快帆”是世界上第1個以火箭發(fā)動機為動力、垂直起降的完全重復(fù)使用運載器。它進(jìn)行了4次飛行試驗，最大飛行高度3155 m，然后像直升機一樣，用4臺小發(fā)動機反推減速，最終達(dá)到平穩(wěn)著陸的目的。后來由于在第4次飛行試驗中“三角快帆”被燒毀，使該計劃提前結(jié)束。不過，“三角快帆”的垂直起降試驗表明，火箭采用動力反推垂直下降技術(shù)是可行的。然而，要實現(xiàn)火箭的動力反推垂直下降，需攻克幾項關(guān)鍵技術(shù)。
一是控制火箭姿態(tài)和落點精度技術(shù)。火箭在返回過程中，需要對其姿態(tài)不斷進(jìn)行控制，這對火箭的可操控性和穩(wěn)定性要求都很高。越是細(xì)長的東西，越不好控制其姿態(tài)，要使細(xì)長的箭體垂直精確著陸在指定地點就更難。其主要表現(xiàn)是：在返回過程中，火箭各級再入速度大，在5～20 km高度經(jīng)過“大風(fēng)區(qū)”時，會受到較大干擾。即使火箭具備控制能力，“大風(fēng)區(qū)”的干擾對子級返回過程的姿態(tài)控制仍然是一個挑戰(zhàn)?？朔藖碜浴按箫L(fēng)區(qū)”的干擾，火箭在著陸前的垂直姿態(tài)控制仍是難點。在火箭著陸前，姿控系統(tǒng)需要將火箭調(diào)整為垂直姿態(tài)，盡量減少各種干擾對著陸過程造成的影響。 在返回過程中，獵鷹-9通過箭上的液氮推力器來調(diào)整姿態(tài)，以應(yīng)對氣動扭矩和旋轉(zhuǎn)的影響，使其幾乎沒有任何滾轉(zhuǎn)，在降落過程中一直與地面保持垂直狀態(tài)。有人形容其難度猶如“在狂風(fēng)中讓一根掃帚平穩(wěn)地直立在手掌上”。其箭體上有4個可展開的柵格翼，在起飛時保持收起并在再入大氣層時打開。它用于增強火箭返回地球時的穩(wěn)定性，通過GPS衛(wèi)星制導(dǎo)來協(xié)助控制火箭朝著陸地點降落，使其最終落地的精度在10 m左右。每個柵格翼的滾轉(zhuǎn)通道和傾斜通道都是相互獨立的，通過開式液壓系統(tǒng)作動，液壓油從高壓貯箱流經(jīng)作動機構(gòu)后直接排出箭體外部，可以在大氣飛行過程中利用氣動力進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定控制，以控制滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航，協(xié)助控制火箭在平臺上精確著陸。 二是火箭發(fā)動機推力可調(diào)和多次啟動技術(shù)。為了動力反推，火箭要多帶一些燃料。在第一級返回的不同高度，火箭質(zhì)量會隨著燃料快速消耗而明顯減小，所以其反推發(fā)動機需要采用不同大小的推力，以實現(xiàn)軟著陸。大范圍調(diào)節(jié)發(fā)動機的推力，對發(fā)動機燃燒、渦輪泵、閥門等各組件要求較高，需要實現(xiàn)較寬范圍推力調(diào)節(jié)的發(fā)動機系統(tǒng)配置。發(fā)動機推力調(diào)節(jié)范圍以及偏差要求與調(diào)節(jié)閥門的動作精度直接相關(guān)。此外，閥門還必須適應(yīng)較高的混合比偏差控制。獵鷹-9是通過部分主發(fā)動機3次點火制動來減速的。在火箭主發(fā)動機的控制軟件中設(shè)置了矢量推力點，它能控制火箭的下落速度。 三是再入隔熱技術(shù)。運載火箭外形為圓柱體，不是流線形，所以在再入返回時會比流線型設(shè)計的飛船和返回式表面溫度更高，空氣流會在火箭表面摩擦產(chǎn)生大量熱能，這就要求火箭的材料要具備耐超高溫和氣流沖蝕的特性。由于返回過程時間長，氣動熱很容易進(jìn)入火箭內(nèi)部，對內(nèi)部各種儀器設(shè)備的熱防護(hù)措施提出了嚴(yán)峻考驗。未來，對于要求回收速度更快、飛得更高的第二級火箭，其隔熱技術(shù)是個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 四是著陸支架技術(shù)。在火箭回收過程中，必須使用著陸支架來減緩著陸時的沖擊過載，使火箭穩(wěn)定著陸。著陸支架要有很好的強度和緩沖功能以及傾斜姿態(tài)及水平速度適應(yīng)技術(shù)，從而保證著陸的穩(wěn)定性。由于著陸支架靠近火箭發(fā)動機，因此，它還需具有較高的熱防護(hù)性能要高。 本次獵鷹-9第一級的具體回收過程如下： 當(dāng)獵鷹-9火箭第一級發(fā)射約3分鐘（約80 km 高）與第二級分離，速度為10馬赫，它滑行至140 km的最高點。分離后，第二級發(fā)動機點火持續(xù)約7分鐘，以達(dá)到軌道速度，然后與有效載荷分離。與此同時，分離后的第一級采用低溫氮氣推力器進(jìn)行姿態(tài)控制，使第一級擺脫第二級的尾焰羽流，并使48 m高的第一級調(diào)轉(zhuǎn)方向，從而使第一級發(fā)動機保持正確的點火方向，以返回著陸場。 在發(fā)射后4.5分鐘，第一級第一次重啟部分主發(fā)動機，以降低第一級的降落速度，并控制與著陸點之間的距離，使其能夠降落到距離在距發(fā)射場不到10 km處。進(jìn)入大氣層后，第一級進(jìn)行第二次點火，持續(xù)大約20 秒，高度約為70 km。通過點火反推和大氣層的阻力，速度從1300 m/s降至250 m/s。在再入大氣層過程中，由于第一級底部較重（帶有發(fā)動機），會保持發(fā)動機向下的姿態(tài)，而發(fā)動機熱防護(hù)罩經(jīng)過處理能夠經(jīng)受住再入的熱環(huán)境。在著陸之前，第一級的中心發(fā)動機進(jìn)行第3次點火，將第一級速度降至2 m/s。另外，在第一級著陸前10 秒，安裝在第一級底部的四個著陸支架要打開，它由碳纖維材料和鋁合金蜂窩板制成，高約7.62 m，總質(zhì)量為2.1 t，跨度約為21.336 m，帶有液壓減震器，可進(jìn)一步減少垂直著陸時的巨大沖擊，從而在回收平臺上軟著陸。在飛行過程中，支架收起附著在箭體上并覆蓋了氣動外殼降低阻力。在著陸時，支架展開以提高穩(wěn)定性，減緩沖擊。支架的展開動作依靠高壓氦氣作動的氣動系統(tǒng)實現(xiàn)。著陸后8秒內(nèi)，箭上計算機仍要不斷傳回信號，直至第一級呈現(xiàn)水平狀態(tài)時為止。在再入開始階段，第一級火箭會用4個柵格翼進(jìn)行滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航控制，保持第一級的穩(wěn)定。 值得注意的是，采用動力反推垂直下降來回收火箭是需要增加一些成本和損失一些發(fā)射航天器質(zhì)量為代價的。另外，回收后是否能夠只需經(jīng)過簡單維修和加注燃料就可再次發(fā)射是一個更大的挑戰(zhàn)。如果維修成本太高，就達(dá)不到大大降低火箭發(fā)射成本的目的，可部分重復(fù)使用的美國航天飛機就是一個典型例子。 航天飛機的軌道器可重復(fù)使用100次，軌道器上的主發(fā)動機可重復(fù)使用50次，航天飛機的固體助推火箭可重復(fù)使用20次，其外貯箱是一次性使用的。美國原設(shè)想通過航天飛機軌道器和固體助推器的重復(fù)使用，使航天飛機的每次發(fā)射費用降至3000萬美元，但航天飛機每次飛行回來后要耗費巨資維修才能重新上天，使其每次發(fā)射費用高達(dá)4億美元之上，沒能降低成本，不得不提前退役。
它也表明，能夠回收運載火箭不代表一定可以重復(fù)使用運載火箭，重復(fù)使用運載火箭不代表一定可以降低成本。因此，未來還要攻克另一大難關(guān)，即火箭回收后只需經(jīng)過簡單低成本維修和加注燃料就能重復(fù)使用才行。目前的運載火箭發(fā)動機都是一次性使用的，所以必須研制出可重復(fù)使用的火箭發(fā)動機，且每次回收后的維修成本和時間必須很少才行，這是極大的挑戰(zhàn)?；鸺l(fā)動機能夠重復(fù)使用10次比較合算。重復(fù)使用次數(shù)太多，總成本降低得不太明顯，但技術(shù)難度會顯著增加。 Space-X的未來計劃 2016年1月，獵鷹-9將把SES-9衛(wèi)星送往較高的地球同步轉(zhuǎn)移軌道，這要求火箭攜帶更多的燃料。因為燃料余量的關(guān)系，到時該火箭的第一級很可能仍在距離較近的海上回收平臺上進(jìn)行回收試驗。相較于在陸上著陸，海上著陸的情況要復(fù)雜得多，能否成功再次回收很難說。 2016年第2季度，Space-X將發(fā)射近地軌道運載能力達(dá)53t 的首枚“獵鷹重型”，并進(jìn)行第一級火箭與助推器的回收試驗。這對未來耗資巨大的載人火星飛行、地外星球表面火箭重復(fù)利用等至關(guān)重要，因為如果回收成功并能低成本重復(fù)使用，則可以大幅降低載人火星任務(wù)的成本，將總開支降低1～2個數(shù)量級。 2016年發(fā)射的“獵鷹重型”示意圖 一旦“獵鷹重型”火箭成功發(fā)射并回收，Space-X可能會在2016年公布其載人火星計劃。相比美國航空航天局公布的2035年實現(xiàn)載人火星登陸，Space-X要搶先一步，在2025年實現(xiàn)載人登火星，馬斯克本人也想登陸火星。 今后，Space-X還將試驗回收獵鷹-9火第二級的技術(shù)。其第一級由亞軌道垂直返回，由于第二級飛得高，速度更快，回收再入大氣層時需要熱防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)才行，所以回收難度更大。另外，第二級只有一臺發(fā)動機，回收是否合算也需考慮。 在研制“ 獵鷹重型”火箭成功后，Space-X 還將研制更為強大的火箭——“超級獵鷹”，其運載能力將是“重型獵鷹”的3倍，達(dá)170多噸。借助這種火箭，無論是重返月球、進(jìn)軍火星或者其他更遠(yuǎn)天體都沒有問題。 Space-X正在采用創(chuàng)新設(shè)計和技術(shù)研制可以客貨兩用的“龍”飛船，這樣設(shè)計的好處是可以降低風(fēng)險、節(jié)約成本。因為該公司可先通過發(fā)射多艘載貨型“龍”飛船來掌握飛船的主要技術(shù)，降低研制載人型“龍”飛船的研制難度和風(fēng)險，并及早獲得商業(yè)利益（它還是目前唯一可以返回的貨運飛船，因而能帶回一些空間站上的實驗樣品等）。然后以此為基礎(chǔ)，花較少的費用和時間就能研制出載人型“龍”飛船。為了確?！褒垺憋w船能快速從貨運艙轉(zhuǎn)換成乘員艙，除了乘員逃逸系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)和允許乘員利用飛行計算機控制船載控制系統(tǒng)外，載貨型“龍”飛船的貨艙和載人型“龍”飛船的乘員艙在結(jié)構(gòu)上幾乎是相同的。另外，未來的“龍”飛船另一大特點是不像目前的飛船只能使用1次，而是可重復(fù)使用10 次。載人型“龍”飛船將于2017 年為“國際空間站”提供商業(yè)乘員運輸業(yè)務(wù)。 馬斯克在2015 年宣布要做由4000多顆小衛(wèi)星組成的太空互聯(lián)網(wǎng)，以滿足全球所有人的移動通信需求。雖然能否實現(xiàn)還不得而知，但這種敢想敢做的科學(xué)探索精神很值得欽佩。（本文摘自《科技導(dǎo)報》2016年第1期，有刪節(jié)） 作者簡介：龐之浩，北京空間科技信息研究所研究員、《國際太空》雜志主編 |
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