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2015年12月22日，美国太空探索技术公司（Space-X）用猎鹰-9火箭成功发射了轨道通信公司的11 颗小型通信卫星。这不仅是猎鹰-9火箭自2015年6月28日发射失败以来的首次发射以及升级版猎鹰-9火箭的首次使用，更重要的是猎鹰-9火箭在世界上首次成功进行第一级有动力垂直回收，从而在人类历史上率先验证了轨道运载火箭的回收技术，为未来打造可重复使用运载火箭，大大降低运载火箭发射成本奠定了重要技术基础。 回收火箭意义重大
众所周知，目前的运载火箭都是一次性使用的，长久以来航天发射成本居高不下，发送质量1 kg物质上天的成本约为1～2万美元，大大影响了人类开发太空的规模和效益。比如，作为目前世界上最便宜的猎鹰-9 火箭总造价约为5000多万美元，而其推进剂的成本只有20万美元。因此，如能够回收火箭，经过简单维修后再重复使用，则可以极大降低发射成本。Space-X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。如果能回收并可低成本重复使用猎鹰-9 火箭的第一级，可降低火箭成本80%；如果第一二级火箭都能回收并低成本重复使用，则可降低火箭成本的99%。Space-X总裁马斯克曾表示，可重复使用火箭将使空间探索成本降低两个数量级。 另外，回收火箭还能保障地面人员和财产的安全，避免火箭残骸落入民居损坏财物甚至伤人。如果最终能够研制出低成本的可重复使用火箭，也意味着届时可以设计出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——如果卫星坏了，再发射一颗填补空缺便是。 美国政府在“三角快帆”等垂直起降重复使用验证机相继失败后，更多地关注试验性太空飞机-1等带翼水平返回的重复使用技术方案。此次Space-X在这一技术方案上的成功可能会很大程度上影响到未来重复使用技术发展的方向。 当然，首次成功回收火箭第一级是研制可重复使用火箭的第一步，以后还需多次试验，由成功变为成熟；接着，还要突破和掌握回收第二级技术；最后是突破和掌握经过低成本维修后的重复发射技术。
至今，载人航天最大瓶颈之一就是成本太高，因而限制了进入太空的人数。从长远看，如果低成本可重复使用的火箭技术取得实用性进展，就能大大加速人类进入太空的步伐，使人类探访甚至移居其他星球的梦想成真。 火箭回收的关键技术 早在20世纪90年末，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3155 m，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，要实现火箭的动力反推垂直下降，需攻克几项关键技术。
一是控制火箭姿态和落点精度技术。火箭在返回过程中，需要对其姿态不断进行控制，这对火箭的可操控性和稳定性要求都很高。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。其主要表现是：在返回过程中，火箭各级再入速度大，在5～20 km高度经过“大风区”时，会受到较大干扰。即使火箭具备控制能力，“大风区”的干扰对子级返回过程的姿态控制仍然是一个挑战。克服了来自“大风区”的干扰，火箭在着陆前的垂直姿态控制仍是难点。在火箭着陆前，姿控系统需要将火箭调整为垂直姿态，尽量减少各种干扰对着陆过程造成的影响。 在返回过程中，猎鹰-9通过箭上的液氮推力器来调整姿态，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“在狂风中让一根扫帚平稳地直立在手掌上”。其箭体上有4个可展开的栅格翼，在起飞时保持收起并在再入大气层时打开。它用于增强火箭返回地球时的稳定性，通过GPS卫星制导来协助控制火箭朝着陆地点降落，使其最终落地的精度在10 m左右。每个栅格翼的滚转通道和倾斜通道都是相互独立的，通过开式液压系统作动，液压油从高压贮箱流经作动机构后直接排出箭体外部，可以在大气飞行过程中利用气动力进行姿态稳定控制，以控制滚转、俯仰和偏航，协助控制火箭在平台上精确着陆。 二是火箭发动机推力可调和多次启动技术。为了动力反推，火箭要多带一些燃料。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。大范围调节发动机的推力，对发动机燃烧、涡轮泵、阀门等各组件要求较高，需要实现较宽范围推力调节的发动机系统配置。发动机推力调节范围以及偏差要求与调节阀门的动作精度直接相关。此外，阀门还必须适应较高的混合比偏差控制。猎鹰-9是通过部分主发动机3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。 三是再入隔热技术。运载火箭外形为圆柱体，不是流线形，所以在再入返回时会比流线型设计的飞船和返回式表面温度更高，空气流会在火箭表面摩擦产生大量热能，这就要求火箭的材料要具备耐超高温和气流冲蚀的特性。由于返回过程时间长，气动热很容易进入火箭内部，对内部各种仪器设备的热防护措施提出了严峻考验。未来，对于要求回收速度更快、飞得更高的第二级火箭，其隔热技术是个严峻挑战。 四是着陆支架技术。在火箭回收过程中，必须使用着陆支架来减缓着陆时的冲击过载，使火箭稳定着陆。着陆支架要有很好的强度和缓冲功能以及倾斜姿态及水平速度适应技术，从而保证着陆的稳定性。由于着陆支架靠近火箭发动机，因此，它还需具有较高的热防护性能要高。 本次猎鹰-9第一级的具体回收过程如下： 当猎鹰-9火箭第一级发射约3分钟（约80 km 高）与第二级分离，速度为10马赫，它滑行至140 km的最高点。分离后，第二级发动机点火持续约7分钟，以达到轨道速度，然后与有效载荷分离。与此同时，分离后的第一级采用低温氮气推力器进行姿态控制，使第一级摆脱第二级的尾焰羽流，并使48 m高的第一级调转方向，从而使第一级发动机保持正确的点火方向，以返回着陆场。 在发射后4.5分钟，第一级第一次重启部分主发动机，以降低第一级的降落速度，并控制与着陆点之间的距离，使其能够降落到距离在距发射场不到10 km处。进入大气层后，第一级进行第二次点火，持续大约20 秒，高度约为70 km。通过点火反推和大气层的阻力，速度从1300 m/s降至250 m/s。在再入大气层过程中，由于第一级底部较重（带有发动机），会保持发动机向下的姿态，而发动机热防护罩经过处理能够经受住再入的热环境。在着陆之前，第一级的中心发动机进行第3次点火，将第一级速度降至2 m/s。另外，在第一级着陆前10 秒，安装在第一级底部的四个着陆支架要打开，它由碳纤维材料和铝合金蜂窝板制成，高约7.62 m，总质量为2.1 t，跨度约为21.336 m，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。在飞行过程中，支架收起附着在箭体上并覆盖了气动外壳降低阻力。在着陆时，支架展开以提高稳定性，减缓冲击。支架的展开动作依靠高压氦气作动的气动系统实现。着陆后8秒内，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。在再入开始阶段，第一级火箭会用4个栅格翼进行滚转、俯仰和偏航控制，保持第一级的稳定。 值得注意的是，采用动力反推垂直下降来回收火箭是需要增加一些成本和损失一些发射航天器质量为代价的。另外，回收后是否能够只需经过简单维修和加注燃料就可再次发射是一个更大的挑战。如果维修成本太高，就达不到大大降低火箭发射成本的目的，可部分重复使用的美国航天飞机就是一个典型例子。 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，航天飞机的固体助推火箭可重复使用20次，其外贮箱是一次性使用的。美国原设想通过航天飞机轨道器和固体助推器的重复使用，使航天飞机的每次发射费用降至3000万美元，但航天飞机每次飞行回来后要耗费巨资维修才能重新上天，使其每次发射费用高达4亿美元之上，没能降低成本，不得不提前退役。
它也表明，能够回收运载火箭不代表一定可以重复使用运载火箭，重复使用运载火箭不代表一定可以降低成本。因此，未来还要攻克另一大难关，即火箭回收后只需经过简单低成本维修和加注燃料就能重复使用才行。目前的运载火箭发动机都是一次性使用的，所以必须研制出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，这是极大的挑战。火箭发动机能够重复使用10次比较合算。重复使用次数太多，总成本降低得不太明显，但技术难度会显著增加。 Space-X的未来计划 2016年1月，猎鹰-9将把SES-9卫星送往较高的地球同步转移轨道，这要求火箭携带更多的燃料。因为燃料余量的关系，到时该火箭的第一级很可能仍在距离较近的海上回收平台上进行回收试验。相较于在陆上着陆，海上着陆的情况要复杂得多，能否成功再次回收很难说。 2016年第2季度，Space-X将发射近地轨道运载能力达53t 的首枚“猎鹰重型”，并进行第一级火箭与助推器的回收试验。这对未来耗资巨大的载人火星飞行、地外星球表面火箭重复利用等至关重要，因为如果回收成功并能低成本重复使用，则可以大幅降低载人火星任务的成本，将总开支降低1～2个数量级。 2016年发射的“猎鹰重型”示意图 一旦“猎鹰重型”火箭成功发射并回收，Space-X可能会在2016年公布其载人火星计划。相比美国航空航天局公布的2035年实现载人火星登陆，Space-X要抢先一步，在2025年实现载人登火星，马斯克本人也想登陆火星。 今后，Space-X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，速度更快，回收再入大气层时需要热防护系统保护才行，所以回收难度更大。另外，第二级只有一台发动机，回收是否合算也需考虑。 在研制“ 猎鹰重型”火箭成功后，Space-X 还将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，达170多吨。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。 Space-X正在采用创新设计和技术研制可以客货两用的“龙”飞船，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。载人型“龙”飞船将于2017 年为“国际空间站”提供商业乘员运输业务。 马斯克在2015 年宣布要做由4000多颗小卫星组成的太空互联网，以满足全球所有人的移动通信需求。虽然能否实现还不得而知，但这种敢想敢做的科学探索精神很值得钦佩。（本文摘自《科技导报》2016年第1期，有删节） 作者简介：庞之浩，北京空间科技信息研究所研究员、《国际太空》杂志主编 |
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