从 屡战屡败到 习以为常——“猎鹰”火箭回收技术逐步成熟

□ 张雪松

从 屡战屡败到 习以为常
——“猎鹰”火箭回收技术逐步成熟

□ 张雪松

1月15日凌晨1点54分，10颗新一代铱星由太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭成功发射，这是去年9月1日“阿莫斯”6卫星事故后“猎鹰”火箭重整旗鼓的一次发射，火箭第一级也成功实现了海上回收。时至今日，“猎鹰”火箭的一级回收试验从屡战屡败发展到众人习以为常，一级火箭的反推垂直降落回收技术逐步成熟。

2015年12月22日，“猎鹰”9号V1.1全推力版的第一级在卡纳维拉尔角着陆场着陆成功

轨道器复用的航天飞机

致力于廉价进入太空

太空探索技术公司致力于廉价进入太空，从一开始就瞄准了运载火箭的重复使用。航天领域运载工具重复使用的研究已有几十年的历史，但工程师们习惯性地追求“高端大气上档次”的实现方案，比如轨道器复用的航天飞机或是使用超燃冲压发动机单级入轨的国家空天飞机（NASP），这些尝试不是没有带来发射成本的下降，就是因技术难度太大半途而废。太空探索技术公司走的是一条新路：他们在成功的一次性火箭的基础上进行改进，衍生出可重复使用的运载火箭。这样的思路尽显公司老板马斯克的商人本色，虽然他极为热衷运载火箭的重复使用，并大力鼓吹复用会将成本降低到现有火箭的十分之一甚至更低，但是实际研制中却是一步一个脚印地走过来：先做到一种成功的一次性火箭保底，随后渐进提高复用程度，即使复用开发失败，也能保住廉价航天发射商的地位。

垂直起降先锋——道格拉斯公司的DC-X

火箭重复使用的发展思路更明智，并不等于最后一定成功。太空探索技术公司早期试图通过降落伞回收火箭第一级，这是过去航天公司们热衷讨论的方案之一，但现实无情地打破了这个美梦：“猎鹰”9号火箭连续两次发射的回收中，第一级箭体不是没信号直接解体，就是有了信号但仍然解体。事实证明，馅大皮薄的火箭第一级直接无控再入，是很难在苛刻的热环境和大过载下完好无损地保存下来的。根据这一经验，同时借鉴道格拉斯公司DC-X等垂直发射和降落的航天器的思路，太空探索技术公司转向火箭反推减速并飞回发射场的方案，早期的试验着重于突破完整再入大气层和完成海上垂直降落的尝试。

降落在海上平台的“猎鹰”9号火箭的第一级

铱星发射后，“猎鹰”9号火箭的第一级准备在海上降落

执行CRS-8发射任务的“猎鹰”9号火箭第一级首次在船上降落成功

海上回收技术逐渐成熟

“猎鹰”9号火箭第一级受控再入大气层的试验非常顺利，这相当出人意料。2013年9月执行发射CASSIOPE卫星的飞行中，火箭第一级反推减速并安全再入大气层，虽然海面软接触前的最后一次反推中，火箭异常滚动导致燃料输送不济，发动机关机还是把火箭摔成碎片，但距离完整落海只有一步之遥。2014年4月CRS-3任务中，“猎鹰”9号火箭第一级就安全完整地落到海面，并发送出联系信号。随后火箭在海上回收平台上软着陆的试验却几经坎坷，虽然落到回收船附近并不困难，但最后的着陆却控制不佳，接连砸到船上。2015年6月“猎鹰”火箭空中爆炸后，“猎鹰”火箭暂时停止发射，更是为一级回收蒙上了阴影。难能可贵的是，2015年底“猎鹰”火箭首次恢复发射时，太空探索技术公司不仅使用大幅度改进的“猎鹰”9号V1.1全推力版，更选择继续进行一级着陆试验。皇天不负有心人，2015年12月22日“猎鹰”9号V1.1全推力版的第一级在卡纳维拉尔角着陆场着陆成功，以无可辩驳的事实宣告了火箭反推垂直着陆方式的可行性。

“猎鹰”火箭一级陆地着陆的成功，只是万里长征的第一步。即使“猎鹰”火箭的质量比很高，但火箭第一级返回陆地着陆仍会损失很大的运载能力。按照太空探索技术公司的说法，如果降落在海面的回收船上，火箭要损失约15%的运载能力；而飞回发射场着陆，损失的运载能力高达30%！至于未来的重型“猎鹰”，芯级要飞回陆上发射场更是要极大地损失运载能力，所以海上回收仍然是更好的选择。

2016年1月17日，“猎鹰”9号发射“贾森”3卫星时进行了海上回收，火箭第一级顺利软着陆，但其中的一个着陆腿没有锁住，导致火箭倒下爆炸，但这一次试验雄辩地证明了海上回收并没有不可逾越的工程障碍。2016年4月8日执行CRS-8货运补给任务时，“猎鹰”9号第一级在大西洋上的回收船上着陆成功。5月6日“猎鹰”9号发射日本的JCSat-14卫星，第二级负责将卫星送入同步转移轨道，第一级则再入返回并着陆成功，这也是第一次同步轨道发射任务的成功着陆。“猎鹰”9号火箭接下来又在5月27日发射THAICOM8通信卫星后落船成功，随后虽然有一次垂直降落时燃料耗尽砸到甲板的事故，但也有CRS-9任信卫星发射，只计算同步轨道发射任务也有75%的成功率。

火箭复用期待修成正果

按照太空探索技术公司的路线图，接下来将使用回收的一级火箭配合新的第二级进行商业发射。去年回收的一枚旧火箭已被粉刷一新，并完成了相关测试工作，计划在3月初重新进入太空，创造历史。此外今年的重型“猎鹰”火箭的两个助推器，也将直接使用回收复用的“猎鹰”9号也不太美妙。2016年3月肖特维尔曾表示通过复用第一级，“猎鹰”9号火箭发射报价有望降低30%，或者说6100万美元的发射报价有望降低到4300万美元。同年10月肖特维尔调低了预期，表示复用后降价幅度只有10%。太空探索技术公司曾对订购两枚或多枚火箭的客户提供大致相仿的打折，对比之下火箭复用第一级后的报价吸引力实在有限。航天爱好者们期待将发射成本降低为现在几分之一甚至几十分之一，就更是遥遥无期的梦想了。务和JCSat-16任务的连续着陆成功。2016年3月太空探索技术公司总裁肖特维尔曾谨慎地表示，“猎鹰”9号火箭发射近地轨道任务的一级着陆成功率为75%到80%，而同步轨道任务的着陆成功率为50%到60%。那时太空探索技术公司只有2015年底的一次成功着陆经验，但从事后的实际结果看，“猎鹰”9号火箭着陆成功率远好于预期，从2016年4月到2017年1月的7次任务中只有1次失败，而这7次任务中有4次是通火箭第一级。如果一级火箭的重复使用获得成功，这将是人类可重复使用运载器发展史上的一个重要里程碑。

未来的重型“猎鹰”火箭的助推器将来自回收的第一级

太空探索技术公司总裁肖特维尔

尽管如此，太空探索技术公司通过重复使用大幅度降低发射成本的道路仍有很大的不确定性。其实这并不新鲜，航天飞机早在1981年就做到了部分重复使用，但发射成本并没有降低，反而比一次性火箭更贵。“猎鹰”9号火箭得益于明智的技术发展路线，倒是没有航天飞机那样发射价格不减反升的苦恼，但现在来看预期

综上所述，太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭为重复使用做了大量艰苦卓绝的开创性工作，并在技术和工程上取得了巨大的成功，现在只剩下复用火箭的实际发射了。火箭复用技术上的成功可喜可贺，单是未来复用运作流程成熟后，是否能进一步降低成本，例如比一次性火箭降价30%甚至更多，还有待验证。只有真正做到廉价进入太空，太空探索技术公司在“猎鹰”火箭复用上的探索才能说是修成正果。★