回收猎鹰-9火箭那些事

回收猎鹰-9火箭那些事

众所周知，目前的运载火箭都是一次性使用的，所以长久以来，航天发射成本居高不下，发送质量1kg物质上天的成本约为1万～2万美元。比如，美国的猎鹰-9火箭总造价约为5000万美元，而其推进剂的成本只有20万美元。因此，打造猎鹰-9火箭的美国太空探索技术公司自设计之初就一直在研究如何回收以及重复使用猎鹰-9火箭的有关技术，以大大降低成本。如果能回收并重复使用火箭的第一级，可降低火箭成本80%；如果第二级也能回收并重复使用，可降低火箭成本99%。今年1月、2月，美国太空探索技术公司先后进行了2次大胆的尝试，其2枚猎鹰-9火箭在分别完成了发射的主任务后，都进行了第一级火箭的回收试验，但均功亏一篑。尽管如此，还是取得了不少宝贵经验，让人们看到了回收火箭的希望。

1 这种火箭不一般

猎鹰-9火箭和它所发射的“龙”飞船都是由美国太空探索技术公司研制的，用于商业载人天地往返运输。其中猎鹰-9火箭从2002年开始研制，设计理念是简化结构，消除或将故障最少化；主要特点是高可靠、低成本和快响应；最终目标是打造成世界第1 种2级可重复使用运载火箭。

它是一种采用液氧/煤油作为推进剂的两级火箭，总高68.4m，直径3.7m，有三种构型，一种是安装5.2m直径整流罩，用于发射卫星；另一种是用于发射 “龙”飞船；还有一种是大型运载火箭，即在猎鹰-9的基础上捆绑2台液体助推器（由猎鹰-9第一级改进而成），用于发射大型航天器。猎鹰-9系列火箭的近地轨道运载能力9.9～32t, 地球同步转移轨道运载能力4.9～19.5t。

该火箭的电子设备具备单点故障冗余能力，这主要是通过广泛使用三重冗余设计而实现，包括三重冗余飞行计算机、发动机计算机和阀门控制器。其制导导航和控制功能采用GPS和惯性测量装置等方面技术。

其第一级安装了9台隼-1C发动机，目的是在第一级火箭飞行过程中，即使单台发动机从始至终未能点火工作，或在第一级工作末期多台发动机关机时，猎鹰-9火箭仍能完成发射任务，这是一大创新，并已被实践证明是可行的。隼-1C是一种再生冷却、泵压式燃气发生器循环火箭发动机，每台发动机的推力约600kN，比冲约300s，具有高可靠性和低成本的特点。另外，即使猎鹰-9火箭在发射台上点火后，仍会被系留在发射台上2.5s，以监测每台发动机的健康状况。如果检测到异常，可中止发射任务。

其第二级由单台隼-1C真空发动机提供动力。除改用了性能优化的加大直径、膨胀比高的铌合金喷管外，它几乎与第一级的隼-1C发动机完全一样，节流能力强，可将发动机的推力调节至额定推力的60%～100%，使得火箭能够降低有效载荷的加速度，更加精确地将其送入预定轨道。

隼-1C发动机的“心脏”采用低成本针栓式喷注器，它的应用使发动机变得坚固和简单。该喷注器易于制造且廉价，包含的零部件数量也非常少，具有抗噪性好、对环境要求不高、在大范围的操作环境下稳定性好的特点。另外，其推进剂贮箱由铝锂合金制成，它比传统的铝质推进剂贮箱质量更轻且刚度更强。猎鹰-9火箭顶端和外层也全部采用超强度铝锂合金材料制造，且增加了特制的防热板，用以保护火箭在重返地球大气层时免遭损坏。

太空探索技术公司的发射操作原则是显著地减少操作人员以及在发射场消耗的时间，所以发射猎鹰-9火箭时操作既简单又高效，并具有较高的成本效率。其标称的发射操作时间为16天（从火箭运抵发射场开始）。

为了满足载人飞行的要求，猎鹰-9火箭主结构的安全系数高达1.40（一般火箭为1.25）。其发动机及其布局也提升了火箭的可靠性。

由于价格便宜，可靠性高，能以每次5 0 0 0万～6000万美元的发射价格支持航天发射任务，所以猎鹰-9火箭现在已获得大量航天器发射订单，供不应求。

猎鹰-9v1.1火箭第一级的9台发动机

2 两次回收都惜败

2015年1月10日，美国猎鹰-9火箭进行了2015年世界航天的首次发射。此次发射有两大任务：一是把第5艘载货型“龙”飞船送入太空，为“国际空间站”运送补给物资；二是首次试验用海上浮动回收平台回收猎鹰-9火箭的第一级。结果，第一项任务顺利完成，但第二项任务功败垂成，火箭的第一级虽然垂直降落在预先准备的海上浮动回收平台上，但是没能软着陆，结果使第一级火箭和平台都有不同程度的损毁。

这次发射的第二项任务虽是次要任务，但更加令人关注，因为是首次回收猎鹰-9火箭的第一级到海上浮动回收平台上。其成功的标准是第一级火箭要能证明火箭上的着陆支架对火箭上升段没有影响；要能分3次重启主发动机来制动减速；要能用氮推力器实现第一级垂直返回的姿态控制；要能成功打开着陆支架；要能以接近零的速度精确着陆在指定的海上浮动回收平台上。该平台全称为“自主航天港无人驾驶船”（ASDS），位于距离发射场600km的海面着陆区域。它不仅是一个浮动平台，面积为91m×52m，犹如一个足球场大，并装有用于稳定获移动的推力器，可自主航行到降落海域。这个由深海石油钻井平台基础上改进而成的平台即使遇到一些风浪，其位置保持精度也能控制在3m以内，它未来还将具备为回收的第一级火箭加注燃料的能力，以便重复使用。

另外，回收火箭还能保障地面人员和财产的安全，因为现在的火箭发射时那些被抛下的部件中，除了第三级火箭外，其他部件会因为高度不足，无法完全燃烧而成为残骸降落到地面或水面，这样就不可避免地会有火箭残骸落入民居损坏财物，甚至伤人。回收火箭也可以保护环境，因为一些火箭的燃料是有毒的，每次发射后会残留一些，这些残留燃料会随着火箭落地而污染环境。如果能回收第一级甚至第二级火箭，就可使火箭残骸不会砸在地面和水中完全解体，也就不会让剩余燃料更多地污染环境。

所以，回收火箭意义重大，但风险也很大。不过万事开头难，这次猎鹰-9火箭的第一级虽落在海上浮动回收平台上了，但它在最后关头出现失控，使火箭以大约45°角一头撞上海上浮动回收平台并发生剧烈爆炸，造成平台部分辅助设施损毁。失败主要的原因是火箭液压油不足，从而导致其4个稳定栅格翼无法有效发挥作用。

虽然首次回收猎鹰-9火箭的第一级没有成功，但太空探索技术公司并不气馁，而早有思想准备。事前，该公司老板马斯克（Musk)就对外表示，首次回收火箭的成功率不到50%，他准备进行10多次回收试验。

2月12日，在猎鹰-9火箭进行今年第二次发射时，又进行了回收该火箭第一级的试验。此次发射的主任务是把一颗被搁置十余年的“深空气候观测台”（DSCOVR）送入距离地球1500000km的地日拉格朗日1点，这也是太空探索技术公司首次执行深空任务。主任务完成的很顺利，但原计划中更引人注目的使第一级火箭在海上浮动回收平台“精准着陆”的试验，却因大风作怪改为技术难度相对低一些的在海上软着陆试验，但取得了成功。

回收猎鹰-9火箭的第一级到海上浮动回收平台

发射前，太空探索技术公司就发表声明说，由于海上天气特别恶劣，掀起的海浪有3层楼高，海上浮动回收平台无法在这样的天气条件下工作，而且该平台的4台发动机中也只有3台工作，因而导致平台无法固定，为此取消了在海上浮动回收平台的软着陆试验，改为在海上软着陆。原以为由于风太大，海浪有三层楼高，即使在海上软着陆，成功率也不到1%，但没想到却取得了成功。火箭第一级在大西洋海面成功实现软着陆，着陆精度在10m以内，第一级以完美的状态垂直入海。充分表明在天气状况好的情况下，火箭第一级完全有能力在海上浮动回收平台上实现软着陆。

之所以要在大风条件下发射，是因为此前已因技术和天气原因推迟了2次发射，如果再推迟，由于月球的位置关系，“深空气候观测台”卫星的发射窗口要等到2月20日之后才有。

这次回收试验汲取了首次测试失败的经验教训，在猎鹰-9火箭的推进器中多加了50%的液压油量，以确保火箭在返回地球时能够拥有足够的使用余量。

美国太空探索技术公司今年有17次火箭发射计划，因此，该公司将有足够多的机会来尝试进行火箭回收工作。

在马斯克的设想中，火箭自主降落技术除了能够用于回收发动机外，还能实现火星表面软着陆，未来开发的载人火星飞船将通过这个技术降落在火星表面。

“深空气候观测台”被送入地日拉格朗日1点

3 三大技术是关键

要实现运载火箭的可重复使用，回收技术是关键。据权威专家介绍，目前火箭回收技术有4种方案：第一种是降落伞垂直下降方案，即在火箭分离后先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道，接着在低空采用降落伞减速，最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。第二种是动力反推垂直下降方案，其空中变轨制动同第一种，但在低空采用发动机反推减速，以垂直下降方式降落地面，美国猎鹰-9火箭采用这种方案。第三种是无动力滑翔飞行水平降落方案，即箭体采用翼式飞行体，在变轨制动后，火箭依靠翼身的气动力滑翔飞行，像飞机一样水平降落返回地面。第四种是有动力滑翔水平降落方案，即箭体采用装有涡喷发动机的翼式飞行体，在返回地面过程中启动涡喷发动机进行巡航机动飞行，可实现更大范围的回收区选择。

美国航天飞机是目前世界上唯一实现可回收的航天运输器，并能部分重复使用。它由助推器、轨道器和外贮箱三大部分组成。助推器相当于运载火箭的第一级，它在分离后飞行速度不大，所以没进行空中变轨制动，回收采用降落伞垂直下降方案。轨道器相当于运载火箭第二级，飞行速度较大，在返回地球大气层之前进行了变轨制动来降低飞行速度并改变飞行方向（调整姿态返回），航天飞机轨道器是翼式飞行体，回收采用无动力滑翔飞行水平降落方案，它能像飞机一样水平滑翔降落于预定回收地点的机场跑道上。外贮箱是一次性使用，不回收。美国航天飞机在回收技术上取得了巨大成功，但由于风险大、费用高而退役了。

其实，早在20世纪90年底，美国麦道公司就开始用“三角快帆”（又叫“德尔他快帆”）飞行器试验动力反推垂直下降技术。“三角快帆”是世界上第1个以火箭发动机为动力、垂直起降的完全重复使用运载器。它进行了4次飞行试验，最大飞行高度3155m，然后像直升机一样，用4台小发动机反推减速，最终达到平稳着陆的目的。后来由于在第4次飞行试验中“三角快帆”被烧毁，使该计划提前结束。不过，“三角快帆”的垂直起降试验表明，火箭采用动力反推垂直下降技术是可行的。然而，要实现运载火箭的垂直起降需攻克三大关键技术。

第一是控制火箭姿态。因为越是细长的东西，越不好控制其姿态，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难。在返回过程中，猎鹰-9第一级火箭是通过箭上的液氮推力器来调整姿态的，以应对气动扭矩和旋转的影响，使其几乎没有任何滚转，在降落过程中一直与地面保持垂直状态。有人形容其难度犹如“在狂风中让扫帚柄直立于手掌上”。另外，箭体上还有4个可展开的侧翼，它用于通过GPS卫星制导来协助控制火箭朝平台降落，使其最终落地的精度在10m以内。2015年1月10日的这次返回，猎鹰-9火箭第一级的落点相当准确。

世界上第1个以火箭发动机为动力、垂直起降的完全重复使用运载器“三角快帆”

猎鹰-9火箭第一级接近回收平台时展开着陆支架

第二是火箭发动机要具有推力可调和多次启动的功能。为了动力反推，火箭多带了一些燃料。在第一级返回的不同高度，火箭质量会随着燃料快速消耗而明显减小，所以其反推发动机需要采用不同大小的推力，以实现软着陆。猎鹰-9是通过部分主发动机2次点火制动来减速的。在火箭主发动机的控制软件中设置了矢量推力点，它能控制火箭的下落速度。在火箭升空约3min时，其第一级与第二级火箭分离，然后第一次重启部分主发动机，以降低第一级的降落速度，使其能够降落到距离卡纳维拉尔角数百km的太平洋海面；当第一级火箭快要落入大西洋时，再重启它的另一台发动机，以进一步减速。最终要使火箭的速度由初始的1300m/s减到2m/s。另外，在第一级接近海上浮动回收平台前，安装在第一级底部的四个着陆支架要打开，它由碳纤维和铝蜂窝板制成，高约 7.62m，带有液压减震器，可进一步减少垂直着陆时的巨大冲击，从而在回收平台上软着陆。着陆后8s内，箭上计算机仍要不断传回信号，直至第一级呈现水平状态时为止。在2015年1月10日第一级的回落过程中，猎鹰-9很可能没有控制好速度，导致了其与回收平台发生碰撞。

第三是火箭发动机要能重复使用，且每次飞行后只需经过简单维修和加注燃料就能再次发射。目前的运载火箭发动机都是一次性使用的，只有航天飞机实现了部分重复使用。航天飞机的轨道器可重复使用100次，轨道器上的主发动机可重复使用50次，固体助推火箭可重复使用20次。但航天飞机的轨道器在每次飞行后，要经过几个月的维修并耗费大量资金，因而没能降低成本。所以，必须研制出能像普通飞机发动机那样可重复使用的火箭发动机，且每次回收后的维修成本和时间必须很少才行。

猎鹰-9火箭第一级的四个着陆支架

“蚱蜢”火箭成功垂直着陆

4 探索铸就新辉煌

虽然头2次回收猎鹰-9第一级火箭到回收平台上的试验都失败了，但这也在预料之中。美国太空探索技术公司的CEO马斯克在发射前就表示，回收的成功率不会超过50%。第1次回收失败后马斯克说，回收接近成功，但最终功亏一篑，希望将来一切都好。太空探索技术公司今后还将进行多次发射试验。想当年，马斯科刚开始试射猎鹰-1火箭时曾连续3次发射失败，导致很多人都怀疑民营航天公司的能力，但他还是坚定不移，结果第4次发射获得了成功。此后发射的猎鹰-9火箭全部获得成功。正是这种不怕失败的科学探索精神成就了该公司的宏图伟业。

其实此前，太空探索技术公司已进行过大量的火箭动力反推垂直下降试验，其中包括多次发射只装有1台隼-1D发动机的“蚱蜢”火箭，其第一次回收时的飞行高度为73m，然后成功着陆；此后回收时的飞行高度逐步增加，现已达到744m,都回收成功。其回收高度今后有可能依次增到1524m、2286m、3505m等。

2010年首次发射猎鹰-9火箭时，曾配备了降落伞以减缓第一级落入海洋时的速度，但第一级火箭没能挺过再入大气层时遭遇的空气阻力。2013 年 9月，升级之后的猎鹰-9v1.1火箭在首次执行发射任务时，曾经尝试过在水上回收第一级火箭，但由于发动机燃料供应不足，从而使火箭第一级砸在水面上而四分五裂。在2014年4月试验中，猎鹰-9第一级回收时已能降至悬停程度，成功地实现了历史上第一次火箭的软着陆，但该火箭随后在公海上侧翻并毁坏，以至无法修复。在2014年7月的试验中，对猎鹰-9第一级火箭进行了“软着陆”测试，即在它接近海平面时被调整成水平方向，目的是希望可以完好无损地回收，但海水破坏了箭体，因而也无法重复使用。在这些回收试验中，回收的着陆精度在10km以内;而在2015年1月10日的回收试验中，着陆精度要求为10m，因为火箭第一级要落在海上浮动回收平台上。

华盛顿大学空间研究院教授罗杰斯顿(Logsdon)认为，可重复使用火箭极具吸引力，因为它可使每次发射的费用大大降低，这就意味着能设计比现在便宜得多的卫星，而不必再花费大量资金来确保其长寿命的工作状态，因为发射费用很便宜，如果卫星坏了，再发射一颗填补空缺便是。”英国金斯顿大学火箭实验室主管贝克(Baker)博士也有同感，他表示，如果能够将火箭发射费用成功降低50%以上，那么更多的太空应用将会变得可能。

也有人担心猎鹰-9重蹈航天飞机覆辙。当年研制航天飞机的初衷也是通过研制可重复使用航天器来降低费用，然而航天飞机技术和维护的极度复杂性让这种成本节约的初衷完全成了泡影。欧洲咨询公司的维兰(Villain)认为：“火箭发射市场的客户们并不关心火箭的可重复使用性，他们要的是在尽可能便宜的情况下实现高可靠的发射服务。”她说：“可重复使用性是服务提供方面临的问题，而不是客户面临的问题。卫星运营方一般而言只有三个大的要求：按时，保质，价格合理。”美国洛马公司发射服务部主管克利夫（Cleave）表示，回收火箭是一个天方夜谭。因为回收火箭涉及材料科学、控制，还涉及运行效率。关键是要回收任何物质，就得把更多的物体和重量发射入轨。这必须对物理定律作更多的研究才能做到。

但不管怎样，美国太空探索技术回收运载火箭的试验已经迈出了坚实的第一步，成功地搅动了火箭工业界。即使不重复使用，猎鹰-9的发射成本也很低，并可提供全套的发射服务，包括任务综合费用、发射场费用和附加费用。这些已让传统火箭发射的供应商感到威胁，为此欧洲在2014年决定开始研发下一代新型火箭阿里安-6，以提供具有竞争力的价格，但该火箭仍是一次性使用的。如果今后猎鹰-9可以重复使用了，那么一切都不再话下。回收火箭究竟是天方夜谭还是一种可以实现的梦想呢？也许现在是天方夜谭，未来未必就是天方夜谭。

发射猎鹰-9v1.1火箭

5 未来前景更广阔

今后，太空探索技术公司还将试验回收猎鹰-9火第二级的技术。其第一级由亚轨道垂直返回，由于第二级飞得高，所以难度更大，回收再入大气层时需要热防护系统保护才行。

太空探索技术公司还拟抢在美国航空航天局之前，率先研制出 “猎鹰重型”火箭。该火箭可以把质量53t的有效载荷送到近地轨道，且很便宜，并能满足载人航天的条件，有望于今年首次试射，引起航天工业的重大变革。最近，太空探索技术公司对外公布了一段概念视频，在这段视频中可以看到一枚“猎鹰重型”火箭的全部三个助推火箭都在发射之后自动返回卡纳维拉尔角的发射平台。该公司也在考虑研制更为强大的火箭-“超级猎鹰”，其运载能力将是“重型猎鹰”的3倍。借助这种火箭，无论是重返月球，进军火星或者其他更远天体都没有问题。马斯科希望在10～20年内率先把航天员送上火星。

在“龙”飞船研制方面，太空探索技术公司也采用了创新设计和技术。“龙”飞船可以客货两用，分载货型和载人型两种。这样设计的好处是可以降低风险，节约成本。因为该公司可先通过发射多艘载货型“龙”飞船来掌握飞船的主要技术，降低研制载人型“龙”飞船的研制难度和风险，并及早获得商业利益（它还是目前唯一可以返回的货运飞船，因而能带回一些空间站上的实验样品等）。然后以此为基础，花较少的费用和时间就能研制出载人型“龙”飞船。为了确保“龙”飞船能快速从货运舱转换成乘员舱，除了乘员逃逸系统、生命保障系统和允许乘员利用飞行计算机控制船载控制系统外，载货型“龙”飞船的货舱和载人型“龙”飞船的乘员舱在结构上几乎是相同的。另外，未来的“龙”飞船另一大特点是不像目前的飞船只能使用1次，而是可重复使用10次。

从长远看，研制可重复使用的火箭和飞船可使人类探访甚至移居其他星球的梦想成真。现在载人航天最大的一个瓶颈就是成本太高，限制了进入太空的人数。如果可重复使用航天技术取得了实用性进展，未来将会大大加速人类进入太空的步伐。

晓柯/文

在海上回收载货型“龙”飞船，它目前还不能重复使用

Recovering Falcon 9 Rocket