科學思維看可重複使用火箭：獵鷹9號打通並不僅僅是火箭領域

出品：太空伊卡洛斯

美國太空探索技術公司（SpaceX）利用「獵鷹」-9V1.1運載火箭多次在卡納維拉爾角成功發射「龍」式貨運飛船，「獵鷹」-9V1.1運載火箭在外觀上與此前的「獵鷹」-9版本存在不同之處，最為典型的就是增加的可收放的著陸支架，起飛時著陸支架貼著火箭第一級發動機外壁上，進入降落持續後開始展開。根據「獵鷹」-9V1.1的標準降落程序，第一級發動機「隼」-1D液氧煤油發動機關機後開始級間分離，在此後的3分鐘左右時間內重新啟動發動機，第一次啟動「隼」-1D後濺落的第一級發動機開始減速，關鍵目的在於初始段引導到向位於卡納維拉爾角以東數百公裡半徑內的海面，當第二次重啟後將控制第一級發動機的滾轉速率，使其停止滾轉並控制好濺落姿態，使箭體與海面保持相對垂直。

圖註：「獵鷹」-9V1.1運載火箭使用了全新的可收放著陸支架

圖註： 「蚱蜢」火箭驗證第一級發動機垂直降落

可重複使用運載火箭需要有優異的發動機

「獵鷹」-9V1.1運載火箭在本次發射任務表現出較好的狀態，尤其是著陸支架在起飛過程中並沒有影響火箭的姿態，在第一級返回濺落過程中「隼」-1D發動機的穩定性極佳，實現了兩次重啟，同時還完成了對第一級下落姿態的控制。「獵鷹」-9V1.1比此前的基礎型號長度更長，而且有效載荷能力也有較大的提升，但任務模式與此前是一致的，都是為國際空間站運送貨物，發射工位也都在位於佛羅裡達州的卡納維拉爾角基地，「獵鷹」-9V1.1的第一級為「隼」-1D發動機，其動力構成與太空探索技術公司測試的「蚱蜢」火箭一樣，但與標準型的「獵鷹」-9有區別，後者使用了「隼」-1C發動機。

「隼」-1D發動機的垂直返回技術已經在「蚱蜢」火箭上進行了測試。2012年9月，SpaceX公司在德克薩斯州的試驗場進行了「蚱蜢」火箭的首次試飛，高度達到1.8米，懸空時間為3秒左右，驗證了火箭垂直起降達的可能性，首秀表演非常成功。

到了2012年11月，「蚱蜢」火箭飛行高度達到了5,4米，懸空時間為8秒左右，本次試飛進一步驗證了垂直降落火箭的關鍵技術，比如使用多大的支撐結構可以保持火箭的垂直著陸時具有更高的穩定性，大型支撐架在起飛時可以摺疊起來貼在火箭周圍，發動機部分則涉及到節流功能和推力矢量控制問題，在垂直降落的過程中可以需要保持火箭的穩定性。一個月後，「蚱蜢」火箭進行了本年度的最後一次測試，飛行高度達到40米左右，歷時接近30秒。

圖註：「蚱蜢」火箭在垂直降落的過程中可以需要保持火箭的穩定性

圖註：「蚱蜢」火箭顯示出極強的狀態控制能力

「蚱蜢」火箭在垂直起降測試表現優異

在2013年3月份的測試中「蚱蜢」火箭達到了80.1米的高度上，並懸停了34秒，再次驗證了出色的狀態控制能力和推力矢量技術。火箭的垂直降落過程中無法避免橫風的幹擾，「蚱蜢」火箭在4月份的測試也遇到了比較強的橫風乾擾，從火焰的方向和角度等信息可以看出橫風還不小，分析高度達到250米左右，在第六次和第七次試飛中，「蚱蜢」火箭在高度上不斷刷新記錄，並在8月份的測試中進行了橫向100米的飛行測試，顯示出極強的狀態控制能力。2013年10月份進行的測試中，「蚱蜢」火箭達到744米的高度，地點位於德克薩斯州麥格雷戈的火箭測試基地。

這幾次測試中都驗證了「隼」-1D發動機的可靠性，尤其是在垂直降落上有些良好的可控效果，該發動機除了應用到「獵鷹」-9V1.1運載火箭，還將在「重型獵鷹」上使用，這款超級火箭將使用27臺「隼」-1D發動機，可將超過50噸的有效載荷送入近地軌道，運載能力遙遙領先其他火箭，加上太空探索技術公司在成本控制能力上的優秀表現，未來商業航天發射市場將面臨一次新的衝擊。

圖註：「獵鷹」-9V1.1運載火箭

「獵鷹」-9V1.1運載火箭在本次發射前也做足了功課，太空探索技術公司在德克薩斯州的測試場使用「獵鷹」-9R Dev 1進行垂直起降測試，飛行高度在250米左右，同時進行了橫向飛行測試與對抗橫風的飛行策略，從這些信息中可以看出，該公司在運載火箭的垂直降落上有著不錯的技術積累。在海上垂直降落測試後，「獵鷹」-9V1.1運載火箭還將進行陸基發射場的垂直降落測試，顯然在「獵鷹」系列火箭的發展框架中，受控狀態下的垂直降落是一項必備的技術，並對未來運載火箭的研發起到一定的衝擊作用。

運載火箭技術向可重複使用發展

從1957年發射第一顆人造衛星開始，運載火箭技術一直在不斷發展之中，美、蘇、歐洲、中國、日本還有印度、巴西等國都有著較強的運載火箭技術，成系列的運載火箭不完全統計至少有20幾種以上，還有配套的上面級等，不同的上面級也可以衍生出不同的運載能力的火箭。

事實上，運載火箭技術與彈道飛彈技術是相通的，而且多以彈道飛彈技術改進而來，美國「德爾塔」系列、「宇宙神」系列還有蘇俄時代的聯盟系列、天頂等都是來自彈道飛彈的技術，咱們東風五型、東風四型彈道飛彈就有近地軌道運載能力，通過對火箭的縱向改進，比如增加級數，或者更換推力更大的發動機，亦或橫向增加捆綁式助推器等都可以達到提升運載能力的目的。

美國的「德爾塔」系列和歐洲的「阿麗亞娜」系列、還有俄羅斯的「聯盟」系列都是非常成功的運載火箭，但是它們都不是真正意義上的可重複使用運載火箭，作為一次性使用的運載火箭，發動機在完成燃燒後就丟棄，如果發射場修建在海島上或者臨海布設，就可以避免助推器等部件落到地面上砸到民房，比如蓋亞那航天發射場，甘迺迪航天發射中心等，而我國的西昌衛星發射中心在內陸地區，向東發射火箭必然會出現火箭助推器等部件砸到地面的情況，要避免助推器砸到民房，就有兩個方法，一個是把發射場搬遷到臨海位置，二是研製可重複使用的運載火箭。

圖註：美國的「德爾塔」系列等算是較為成功的運載火箭，但無法可重複使用

可重複使用的火箭有幾個途徑實現，一個是發動機可以重複使用，另一個是火箭是否可以可重複使用，早期的可重複使用火箭的突破重點放在發動機的重複使用上，比如美國和俄羅斯在很早就可以研究火箭系統的可重複使用，試圖發展出低成本的運載火箭，其中火箭的動力裝置能否多次使用是個關鍵。

能源號火箭的主發動機RD-0120就作為可重複使用的發動機平臺進行研究，並在能源號火箭上進行了測試，雖然能源號火箭在研製時並沒有考慮到重複使用的性能，這是因為對發動機的多次使用研製在經費上不划算，研製費用和生產費用加起來還不如造多臺一次性使用的發動機，把已經發射的火箭發動機回收再循環涉及到回收系統和地面重整化過程，如果可重複使用建立在大量人員和設備的投入上，那麼這樣的可重複使用確實不如一次性使用。

圖註：能源號火箭

火箭系統的可重複使用強調的是回收系統儘量減少佔火箭發射時的死重，回收後通過較少的設備和人員，使用一些簡單的處理就能實現再次發射，這對火箭分系統以及發動機的部件設計構成提出了新的要求，減少維修次數的同時提高成功率，通過自動檢測保持較好的工作狀態。發動機的耐用性涉及到對主渦輪泵中的渦輪葉片裂紋數量，還有推力室和附加閥門、管道的設計，此外發動機的結構壽命也是重複使用的難點之一，其涉及到熱循環程度和低周疲勞等，成熟的可重複使用發動機的使用壽命可以達到100次以上，定期維護的次數還要減少，大修的周期也要延長，那麼其中就要更多地使用到計算機進行健康管理。

圖註：「獵鷹」-9與「重型獵鷹」等對比圖

圖註：固體推進器的回收方案

早期火箭助推器使用降落傘回收

美國也很早就開始使用可重複使用技術，太空梭的固體助推器（SRB）就可以回收使用，其回收系統比較簡單，通過標準螺栓起爆分離，然後拉出引導傘，接著打開主降落傘，最後落到海面上，這就是為什麼我們經常看到太空梭發射後都有助推部分的東西落到海上。馬歇爾航天飛行中心也進行過可重複使用火箭發動機的研製，比如在RS-84的基礎上研製可重複使用火箭。

圖註：NK-33發動機

從早期可重複使用火箭動力的回收方式上看，降落傘是一種途徑，還有降落傘加緩衝氣囊的方式，比如K-1火箭，第一級為NK-33發動機，近地軌道載荷為4.5噸，第一級在40公裡左右的高度上分離後啟動降落傘回收系統，著陸時通過緩衝氣囊降低衝擊力。2002年展出的法俄聯合研製可重複使用助推器助推級使用了RD191發動機，也是第一級重複使用。

近幾年的可重複使用運載火箭主要有「戰神」系列火箭第一級和SpaceX太空探索技術公司研製的「獵鷹」系列運載火箭，當然後者的影響力會更大一些，作為一家私營企業在短時間內通過「隼」-1D發動機技術取到了重型運載火箭的研製成果，其藉助了成熟而推力強大的發動機技術，也得到NASA的不少幫助，比如火箭外殼上的隔熱層會經常脫落，需要一種粘性材料才能保證隔熱層防脫，這對火箭的可重複性極為重要，沒有隔熱層第一級返回時必然無法使用。

圖註：「隼」-1D發動機則源於阿波羅計劃登月艙發動機，海平面推力556千牛，大約為55噸，真空推力達到617千牛，9臺並聯後可將10噸有效載荷送入近地軌道。

「獵鷹」系列運載火箭系統涉及到的一些技術都非常成熟，還有2195鋁鋰合金、攪拌摩擦悍等都可以拿來就用，在這些成熟的技術積累下，SpaceX太空探索技術公司在可重複使用運載火箭上發展較快，其主要通過「蚱蜢」火箭來驗證第一級火箭的可重複使用性能。

獵鷹9號火箭為垂直降落回收

顯然「蚱蜢」火箭的回收方式比較特別，不是通過降落傘和緩衝氣囊實現降落，而是使用反推裝置實現可重複使用，可以垂直發射和垂直降落，在「蚱蜢」火箭的周圍安裝了四個著陸支撐腿，目前的支撐結構是無法摺疊的，但是在成熟後可以實現「貼壁」式的狀態。在自動回收系統成熟後，SpaceX太空探索技術公司將把該技術運用到獵鷹9號火箭上，目前獵鷹9號火箭有兩種不同的載荷方式，一個是對接龍式飛船，前期執行無人狀態的貨運任務，後續可把龍式飛船改造成載人飛船，恢復美國本土的載人運載能力，還有一個是使用5.2米直徑的整流罩，用於發射商業衛星等載荷，根據目前SpaceX太空探索技術公司的官方報價，5.2米直徑整流罩的「獵鷹」-9火箭發射單價為5000萬美元左右，如果使用了可重複的技術，單價還有可能進一步降低。

獵鷹9號火箭的第一級和第二級都被設計成可重複使用，第一級返回比較簡單，類似目前的「蚱蜢」火箭，級間分離後自動返回發射場附近，第二級可以再入垂直降落到發射場附近，後續的獵鷹重型改進型推力更大，通過捆綁液體助推器實現更大的近地軌道運載。事實上，美國國家航空航天局和麥道公司等研製的「三角快帆試驗機」已經驗證過以火箭發動機作為回收主要動力的可行性，當時涉及到的計劃為單級入軌火箭技術，是一種垂直起降的重複使用發射平臺，最大飛行高度超過了3000米，比目前「蚱蜢」火箭抵達的高度要高許多，而且單級火箭系統的垂直起降技術在容錯飛控、多次啟動關機等方面有著較強的技術要求。

圖註：「隼」-1D發動機為單軸雙葉輪渦輪泵推進，矢量控制上有著較高的成熟度

圖註：宇宙神運載火箭沒有實現重複使用

運載火箭的可重複使用性主要依靠發動機的性能，「隼」-1D發動機為單軸雙葉輪渦輪泵推進，矢量控制上有著較高的成熟度，熱導係數和蠕變強度的提高是可重複使用火箭的重要基礎，如果是多級運載火箭，第一級和第二級分離，以及第二級分離後如何降落是能否成功返回的決定性因素，從「蚱蜢」火箭的測試上看，其狀態調整的過去的幾次測試中一直是關鍵點，橫風乾擾下的姿控對發動機要求較高，如果是第二級再入返回，可能要進行多次點火調整姿態和航向，基於目前的三倍冗餘飛控與慣導技術還需要進一步改進，畢竟目前的再入制導依然為太空梭的分段制導策略。第二級再入過程中較為重要還有隔熱系統，在這方面太空探索技術公司顯然得到了美國國家航空航天局的幫助，在隔熱系統與箭體的粘合材料上可以節省很多時間和人力。

可重複使用的運載火箭系統將是一個過渡型的平臺，在單級和兩級入軌平臺沒有成熟之前，可重複使用的火箭可以在一定程度上降低發射費用，我國的長徵三號乙火箭發射單價在6000萬美元左右，「獵鷹」9號的費用要少1000萬美元，這個價格比現役的幾種同級的運載火箭要便宜很多，H2火箭和阿麗亞娜5型火箭的商業發射價格至少上億美元，相比之下獵鷹重型的8000萬美元發射價格的確便宜很多，這對全球商業火箭發射市場而言是個巨大的衝擊。

圖註：埃隆·馬克斯計劃使用垂直降落技術登陸其他天體

從空天一體運載平臺的發展來看，可重複使用運載平臺的發展方向應該是向單級和兩級入軌方向前進，向軌道發射載荷不需要複雜的準備工作，從普通的機場就能起飛，第一級和第二級分離後返回地面，實現真正意義上的可重複使用，當然這樣的標準需要涉及到的技術就困難多了，但動力系統依然是最為關鍵的主導因素，沒有成熟的高超音速動力是絕對無法實現的，尤其為我國而言，發動機系統是傳統的弱項，即便正在測試的長徵五號火箭配套動力120噸級的YF-100液氧煤油發動機與「德爾塔」IV使用的RS-68氫氧機相比依然有不小的差距，因此在火箭發動機的可重複使用領域，我國的運載火箭技術與西方的差距較大，特別是在火箭發動機領域。

未來10年內，太空探索技術公司將主推「獵鷹」系列火箭，根據艾隆·馬克斯的計劃，「獵鷹」-9負責發射載人版的「龍」式飛船，同時以「重型獵鷹」為基礎打造軌道基地，其目標是在地球之外建立長期有人照料的定居點，並大幅度降低航天發射的費用。到目前為止，「獵鷹」-9表現良好，並展現出取代歐洲「阿麗亞娜」火箭的趨勢，並威懾到聯合發射聯盟的「宇宙神」-5與「德爾它」-4運載火箭。因此獵鷹9號打通並不僅僅是火箭領域，而是打開了行星際移民的大門。