“猎鹰9”火箭海上回收试验分析

美国东部时间2016年4月8日，美国SpaceX公司的“猎鹰9”火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射升空，在将“龙”飞船送入预定轨道的同时，火箭一级成功垂直软着陆于停泊在大西洋的驳船上。这是人类首次在海上回收执行完轨道发射任务的火箭，不仅标志着“猎鹰9”火箭回收技术的进一步成熟，同时也将火箭的可重复使用大大地向前推进了一步。

▲“猎鹰9”火箭成功降落在驳船上

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任务概括

“猎鹰9”火箭于美国东部时间8日16时43分起飞，其主要任务是执行国际空间站货物运输任务，同时进行火箭一级的回收试验。火箭发射后约9分种，火箭一级顺利降落在预定驳船上，火箭海上回收试验取得成功；发射约10分30秒，“龙”飞船与火箭二级分离并打开太阳帆板，发射取得成功。

▲“猎鹰9”发射及火箭回收试验

主要目标

一是发射“龙”飞船为国际空间站进行货物运输。此次任务是SpaceX公司执行美国国家航空航天局（NASA）国际空间站商业货运补给合同中的第8次任务（CRS-8）。“龙”飞船的主要载荷为1.7吨的加压货物和1.4吨的“毕格罗可扩展活动模块”（BEAM）太空舱。

表1：飞船携带的主要载荷

名称

数量

“毕格罗可扩展活动模块”充气式太空舱

1套

用于测试新型肌肉生长抑制剂的20只活老鼠

1套

维持站上航天员的物资

…………

3个月

BEAM充气式太空舱是“龙”飞船执行货物补给任务中运输的最重的单个载荷，也是此次任务中的又一大“亮”点。BEAM充气式太空舱重量要比传统太空舱轻很多，未膨胀展开前体积很小，便于运输；在太空展开后，其内部容积将扩大到发射时的十倍，内部空间达16立方米，它将与国际空间站进行对接，进行为期两年的轨道飞行测试，为未来大型BA330甚至BA2100的应用铺平道路。这项技术未来将被用在远离地球的深空空间站、太空旅馆、月球和火星基地上。

▲BEAM太空舱

二是进行火箭的海上回收试验。“猎鹰9”火箭一级海上回收也是采用着陆支架和反推发动机的方案，整个回收过程中发动机要进行3次点火：

第一次是调姿点火，将火箭向预定的驳船位置降落。在与二级分离后，火箭一级还在向前飞行，这时“猎鹰9”利用箭载冷气姿态控制系统并进行发动机点火，使火箭姿态由水平变为垂直，并在下落过程中指向驳船位置。

▲“猎鹰9”发射与海上回收飞行轨迹示意图

其次是再入减速。在进入稠密大气层后，火箭发动机将点火进行反推，使一级返回大气层时速度降至250米/秒。此外，为克服高速侧风的影响并准确降落预定地点，采用箭载四片栅格翼确保火箭空气动力稳定性，每个翼片可独立运动以控制滚转、俯仰和偏航，使火箭精确着陆。

最后是着陆点火。在最后阶段，位于火箭底部中心位置的那台“默林”1D发动机将再次点火，将火箭下落速度控制在2米/秒以下，最后火箭底部的四个碳纤维着陆支架打开进行缓冲，实现火箭安全降落。

本次回收的火箭一级将运回发射场进行地面检测，同时至少进行10次点火测试，随后将于今年6月再次执行发射任务。一旦发射成功，该火箭一级将成为人类历史上第一枚执行轨道发射任务的重复使用火箭。

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海上与陆地回收的主要区别

2015年12月，“猎鹰9”火箭成功实现首次陆地回收，未来的火箭回收也将首选陆地回收，但SpaceX公司仍然坚持不懈地进行海上回收试验，这并非是技术上的执着，而是有着无法回避的需求。

▲“猎鹰9”火箭陆地回收试验

与陆地回收相比，海上回收的难度更大，如同“在暴风雨中将扫帚立在手掌上”。这主要是因为：首先，驳船平台的面积有限，火箭下落出现偏差就可能失败。其次，火箭为细长型，重心很高，要在波浪起伏的海上平台上垂直降落并立稳并非易事，不仅天气状况要良好，还不能出现高海况，且火箭的着陆时速度也必须非常低。再次，海水的腐蚀特性也会对火箭产生不利影响。

尽管存在诸多不利因素，但是海上回收却是必须的，这主要取决于运载火箭所携带的燃料与运载能力。陆地回收需要火箭“飞回”陆地着陆场，因此需要更多的火箭燃料。一旦发射的载荷重量过重或是轨道更高（如高轨发射任务），火箭剩余的燃料就不足以支撑火箭飞回着陆场。美国大部分运载火箭都需要从东部海岸向东发射，这就决定了最节约燃料的回收方式就是在火箭自然下落的方向上设置回收平台，因此也就只能在大西洋上进行海上回收。

SpaceX公司官员表示，预计只有一半的发射任务有足够的燃料可供火箭“飞回”陆地发射场，因此未来计划三分之一的火箭采用陆地回收，其余都将采用海上回收。此次发射任务剩余的燃料虽然足够采用陆地回收，但是NASA希望火箭多留一些燃料作为余量，因此只能选择海上降落。“猎鹰9”还将于4月底进行一次高轨发射任务，由于需要更多的燃料，也只能进行海上回收。

此外，SpaceX公司还在研制“猎鹰重型”火箭，其捆绑的两个助推器可以返回陆地回收，但芯级飞行时间更长且分离速度更高，要飞回陆地将损失太多的运力，因此只能在海上回收。

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与蓝源公司的对比

▲“猎鹰9”火箭（左）和“新谢帕德”火箭（右）

在SpaceX公司完成“猎鹰9”火箭海上回收的前几天，蓝源公司的“新谢帕德”火箭成功进行了第三次发射与回收试验。尽管都是采用垂直反推“软着陆”方式进行火箭回收，但由于“猎鹰9”火箭是为了将载荷送入轨道，而“新谢帕德”只是将太空舱送入亚轨道自由下落获得数分钟失重以用于太空旅游或科学实验，因此两家火箭的技术水平不可同日而语，“猎鹰9”火箭实现回收的技术更加复杂，其实现难度也更高。

表2：蓝源与SpaceX公司近半年火箭回收试验概览

蓝源公司

SpaceX公司

2015年11月24日，蓝源“新谢帕德”火箭飞抵100.5千米高空并成功软着陆，成为首个越过卡门线（100千米）高度的回收火箭。

2015年12月21日，SpaceX公司成功发射“猎鹰9”火箭，该火箭一级在抵达太空后成功返回大气层并软着陆成功，这也是该公司首次实现火箭回收。

2016年1月23日，蓝源实现同一枚回收火箭的第二次发射与回收，这也是人类首枚火箭的再次复用与回收。

2016年1月17日和3月4日，SpaceX两次尝试海上回收火箭均遭失败。

2016年4月2日，蓝源实现同一枚火箭的第三次发射与回收。

2016年4月8日，SpaceX首次实现“猎鹰9”火箭的海上回收。

首先，两种火箭的飞行高度和速度不同。由于“猎鹰9” 的最终目标是进入太空轨道，因此其分离速度也比“新谢帕德”大得多，当下降的时候，它的速度自然也很大。“新谢帕德”在其行程中能达到的最大速度是3马赫，而“猎鹰9”一级的分离速度就已经达到5.5马赫到7.5马赫之间。加之“猎鹰9”火箭在回收过程中无法悬停调姿；反之“新谢帕德”火箭具有悬停能力，可以在着陆前充分调整火箭姿态，排除横风和地面气流等等的影响，从而稳妥的着陆在地面上，技术难度小于“猎鹰9”。

▲两种火箭比较

其次，通过对比两种火箭的箭体结构，就可以发现两者直径类似，但“新谢帕德”火箭的长度远远小于“猎鹰9”火箭，“猎鹰9”火箭的长径比较大，加之质量也远远大于“新谢帕德”火箭。因此，无论是姿态控制还是着陆，“矮粗”的“新谢帕德”火箭肯定比“细长”的“猎鹰9”面临的难度小，所需的控制措施也较简单、更易于实现。

最后，从飞行路线看（如下图），“新谢帕德”火箭只是垂直上升并下降，类似“二踢脚”，火箭几乎没有水平方向的运动，姿态近似一直垂直。而“猎鹰9”火箭为了将载荷送入轨道，不仅有水平方向的运动而且火箭的姿态也是近水平的，还有向回飞的阶段（陆地回收方式），姿态控制要求更高。

▲“新谢帕德”火箭（左）与“猎鹰9”火箭（右）陆地回收飞行轨迹示意图

因此，“新谢帕德”火箭的姿态控制依靠环形翼、楔形鳍等被动措施就可轻松完成；而“猎鹰9”则需要依靠栅格翼等被动措施和冷气姿态控制系统等主动措施相互配合使火箭转向以及保持火箭垂直状态。“新谢帕德”火箭利用顶部制动板就可有效降低下降速度，其发动机只需要点火一次就可实现着陆；而“猎鹰9”火箭为降低下降速度、实现着陆需要发动机点火3次，且每次点火的发动机数量也不同，对发动机重点火和矢量姿态控制要求很高。

结束语

“猎鹰9”火箭一级海上回收试验的成功，是运载火箭重复使用技术发展的一个里程碑，或将开创世界航天廉价发射的新时代。但是，火箭回收只是实现火箭重复使用的第一步，距离低成本重复使用还有较长的路要走。

首先，经过大过载的发射震动以及高空高速侧风的冲击，火箭本身的结构是否会遭到损害，其可靠性能否支撑再次使用还有待研究和验证。

其次，低成本重复使用的关键是快速的周转时间和低的整修费用。如果整修费用过高，那么即使能够重复使用，其总体成本也会难以承受，可重复使用的美国航天飞机最终选择退役就是例证。虽然蓝源公司的“新谢帕德”火箭在4个月的时间内实现火箭的三次重复发射，其整修成本只有约数万美元，但是“新谢帕德”火箭技术十分简单，其不具有典型意义。

▼“猎鹰9”火箭海上回收试验视频

来源：SpaceX公司网站等/图片来自互联网