猎鹰重型芯一级回收成为“老大难”

文/李会超

▲厂房里的猎鹰火箭

美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰重型火箭于去年2月6日成功完成首次飞行试验后，这种“地表最强”火箭在今年开始执行正式的发射任务。6月25日，一枚猎鹰重型火箭在美国肯尼迪航天中心成功发射升空，将24颗大小不一的卫星送入太空，完成了年内的第二次发射。但是，火箭的芯一级回收再度失败，成为“老大难”问题。

▲卫星进整流罩

▲发射台上的猎鹰重型

任务复杂挑战大

本次发射是美国空军所属的“太空测试计划”的一部分。这个计划旨在为与美国国防部有关联的空间科学与技术部门提供发射飞行的机会。本次发射的卫星单个质量都不是很高，而猎鹰重型火箭的运载能力又比较强，为了充分利用运载能力，24颗卫星被一次打包发射上天。这24颗卫星中，有的工作在距离地面较近的近地轨道，有的则工作在近地点6000公里、远地点12000公里的较高轨道上。为了将卫星一一送到各自的工作轨道上去，火箭的第二级要多次点火变轨。在发射开始后13分钟，就已经有卫星入轨，而最后一颗卫星入轨则要等到发射后三个半小时。其间，第二级火箭共点火工作四次。

这样相对复杂的入轨操作，使得第二级必须携带更多燃料，重量比以往发射时更大。因此，芯一级不得不工作更长时间，才能让第二级以足够的速度进入适当的轨道。对于太空探索技术公司所使用的火箭回收复用技术，准备回收复用的火箭芯一级和助推器必须预备额外的燃料，以供其在返回过程中利用发动机调整轨道、减速并最终平稳地悬停降落在回收平台。然而，由于芯一级在本次发射过程中消耗的燃料太多，给返回预留的燃料有限，它不得不以较高的速度返回地面。

在猎鹰重型火箭已经进行的发射中，太空探索技术公司已经可以相当纯熟地利用陆地回收平台同时回收两个助推器，但芯一级的回收一直是一个老大难问题。在猎鹰重型火箭首飞时，火箭第一级坠落在了海上回收平台——“我当然还爱你”旁边，对平台造成了一定损坏。在今年4月发射Arabsat-6A 通信卫星的第二次飞行中，芯一级虽然成功的在回收平台上软着陆，但在当时恶劣的海况下，回收平台上用于支撑固定火箭芯一级的几个大型液压臂没有能抵御住惊涛骇浪的侵袭，在平台还未被拖带回港口时，芯一级就在平台上倾覆报废。

▲喷射火焰

由于剩余燃料量的限制，本次发射过程中，芯一级无法着陆在相对靠近海岸的位置，因此海上回收平台被部署在了距离海岸1240公里的位置，比之前历次发射都要远。同样是由于燃料的限制，本次芯一级在再入大气层过程中的速度可能比前两次猎鹰重型火箭的发射都要大，增加了回收的困难。太空探索技术公司在发射前就已经意识到了回收的潜在风险，并给出了仅仅50%的成功概率。

在当天的发射中，芯一级火箭在正常完成推进工作并与第二级分离后，开始了返回回收平台的飞行。首先，三台梅林1D发动机让芯一级正常进入了返回弹道。然而在随后与大气层的剧烈摩擦中，一台梅林1D发动机很可能遭遇了损坏。而这台发动机，恰恰是安装在芯一级底部中心的一台，而其他八台发动机环绕它呈环形布置。这台发动机对于最后的软着陆至关重要，它的损坏给回收造成了很大麻烦。从地面上的摄像机拍摄的画面看，返回中的火箭芯一级刚出现在视野中时，就已经是倾斜的状态。而艾隆·马斯克表示，当时芯一级上的控制系统很可能已经判定回收成功无望，因此主动控制自己远离了海上回收平台，以免在坠落过程中将平台损坏。最终，这枚芯一级坠毁在了距离“我当然还爱你”数百米的海洋中。

24颗卫星功能各异

早在2012年，太空探索技术公司就已经中标了本次发射。据国外网站报道，本次发射的合同价格为1.65亿美元，最初设定的发射时间为2015年中期。然而，由于猎鹰重型火箭研发进度的一再拖延，发射足足被延迟了4年。

在本次发射的24颗卫星中，美国空军实验室空间飞行器部的“验证和科学试验”（DSX）卫星，主要对GPS等卫星所在的中地球轨道（MEO）上的空间环境及其对卫星的可能效应开展研究。其中，“波粒相互作用实验”仪器主要探测研究中频率波与粒子间的相互租用。而“空间天气实验”仪器则要探测高能质子、电子和能量相对较低的等离子体的物理参数与空间分布。这些物质会对卫星的安全运行产生威胁。它们或通过单粒子效应，像子弹一样直接打击卫星中的各种仪器；或通过表面充放电效应，产生意外的电击阻碍卫星正常工作。而“空间天气效应”仪器，则重点关注这些效应在卫星上发生的过程和程度。这两个仪器的共同探测结果，将有助于航天工程师们针对潜在的空间天气效应，在卫星设计阶段采取更有效的防护措施，在卫星在轨运行阶段采取更有效的调度措施。此外，美国海军实验室研发的NPSAT卫星同样聚焦空间天气效应，这颗卫星的主要工作是监测电离层中可能对无线电通信产生影响的电子密度闪烁现象。

在航天飞行中，卫星也要使用燃料和推进剂，驱动发动机维持自身的轨道和姿态。然而，与不少火箭已经使用无毒无害的绿色燃料不同的是，许多卫星仍在使用偏二甲肼等联氨类燃料。通过本次发射升空的“绿色推进剂注入”（GPIM）任务，美国宇航局将测试一种无毒无害的非联氨推进剂的实际效能。GPIM在轨工作期间，研究人员将进行卫星的轨道机动测试，验证推进剂在姿态控制转换、轨道倾角变化和轨道下降过程中的性能。一旦推进剂的实际效能和预期的一致，这种推进剂有望在今后简化航天器的发射前准备过程，为航天器提供更长的在轨工作时间和更大的有效载荷质量比，从而提升航天器的性能。

▲发射轨迹和回收轨迹同框

▲猎鹰重型发射

▲陆地回收

美国宇航局的另一颗卫星“轨道测试台”（OTB）则将对一种新型的原子钟进行为期一年的在轨测试。原子钟是一种精度极高的计时仪器，目前应用广泛的GPS导航系统，其卫星上的时频信号源就是原子钟。OTB测试的新型原子钟的误差水平可达到10年1微秒的水平。除了能为未来的深空探测提供相当精确稳定的时间和频率信号外，这种原子钟也将有望应用到未来的GPS卫星上，使无线电信号体系更加灵活，释放为导航信号预留的宝贵通信带宽。

除了这些任务外，24颗卫星中还包含对大气和电离层开展探测的COSMIC-2卫星，由大学在校学生设计的OCULUS卫星和PROX-1，以及几颗立方星。

本次发射也是猎鹰重型火箭参与美国“国家安全空间发射”计划的验证飞行，只有通过多次验证飞行证实火箭的技术水平后，猎鹰重型火箭才有可能通过该计划发射美国国防与安全部门价值较高的敏感卫星。同时，美国国防部门也系统通过猎鹰重型火箭的飞行，积累使用可重复使用火箭实施发射任务的经验，为未来制定针对可重复使用火箭的政策和程序探路。