火箭回收技术的演进

传统上航天领域都是国家与国家的竞争，美国国家航空航天局NASA、中国国家航天局、俄罗斯联邦航天局(ROSCOSMOS)、欧洲空间局(ESA)等是这个领域的主角。但最近十多年以来商业航天快速发展，给我们带来了不少的惊喜。

商业航天是采用商业化运作而不是国家拨款的方式，进行航天探索与开发，涉及到航天技术和服务的研发、制造、发射和应用，具有高技术、高风险、高效益和长周期的特点。商业航天是新质生产力的一种，代表了先进生产力。国际上商业航天的代表包括亚马逊创始人杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)的蓝色起源（Blue Origin）（成立于2000年）和埃隆.马斯克（Elon Musk）的SpaceX（成立于2002年6月）。中国自2014年起开放民间资本进入航天领域，鼓励民营企业发展商业航天，中国航天、蓝箭航天、长光卫星等是其中的佼佼者。

商业航天由于采用商业化运作方式，有强大的创新动能来降低航天发射成本。火箭回收技术、‌低轨卫星网络、‌卫星小型化等技术的研究应用‌，大大降低了进入门槛和发射成本。比如，一枚全新的猎鹰9号火箭发射成本为6200万美元，但如果使用回收的助推器，成本可以降低到1200万美元左右‌。今天我们就重点关注火箭回收技术的演进。

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使用弹射螺栓替代爆炸螺栓

传统捆绑式火箭是使用爆炸螺栓来捆绑多级火箭，通过爆炸实现火箭助推器与主火箭分离。爆炸造成了火箭助推器的主体损坏，没有考虑过火箭助推器的损坏。

图：爆炸螺栓

以长征2F火箭为例来说明。在长征2F火箭一子级上捆绑着四个助推器，每个助推器与一子级之间有前、后两个连接点。前连接点由3根组成“N”字形的连杆连接，每根连杆分成3段，每两段之间用爆炸螺栓相连。这种爆炸螺栓是空心的，内部装着炸药，通电后会发生爆炸并炸断螺栓，使连杆断开连接。

长征2F载人火箭分离时，控制系统同时发出一、二级分离和二级发动机点火指令，级间分离面上的14个爆炸螺栓同时引爆，使级间连接解除。已点火的二级发动机推动二级火箭加速向前飞行，此时二级发动机喷出的高速燃气流喷射在一级氧化剂箱前底上，一子级箭体飞行速度随之降低并逐渐离开火箭。

图：长征火箭发射

为了避免助推器主体被破坏，SpaceX放弃了爆炸螺栓，使用强力弹簧来实现弹射分离，回收火箭助推器重复使用。历史上不是没有人想到过这一点，但相关实验都失败了，由于长期无法成功，这个想法就被各国放弃了。SpaceX在设计弹射分离装置的过程中，参考了NASA的大量实验数据，使用计算机进行建模、仿真、分析，没有做过一次地面物理实验，就获得了成功。

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三种火箭回收方案

使用弹射螺栓替换爆炸螺栓只是火箭回收的第一步。火箭的主体部分是一子级/助推器， 经历长期演进后，形成了三种方案：降落伞回收、滑翔回收（带翼火箭回收）和垂直起降回收（动力减速回收）。

降落伞回收是利用降落伞实现火箭一子级的减速回收。火箭一子级完成工作且级间分离后，返航进入大气层，预先安装的降落伞展开，在下降过程中依靠大气阻力对火箭一子级进行减速，并牵引火箭一子级返回地面。降落伞回收技术难度低、投入少，但由于降落伞承重能力非常有限，降落伞回收方案比较适合小型运载火箭一子级回收，无法大范围使用。

图：降落伞回收

滑翔回收（带翼火箭回收）是指依靠机翼产生的气动力大小和方向改变火箭一子级滑翔方向，实现一子级的水平降落。在火箭一子级下降至大气层后，展开预先安装的可折叠机翼，使火箭在大气层中水平滑翔，并在最后下降阶段利用着陆架等结构着陆。滑翔回收（带翼火箭回收）具有落点精度高、无需对回收子级进行搜索等优势，但该回收方案要求火箭能够同时实现传统火箭飞行和航天飞机飞行两种模式。

图：滑翔回收

垂直起降回收（动力减速回收）采用垂直起飞和垂直降落技术方案。在着陆前，通过姿控发动机调整火箭一子级的飞行状态，确保火箭一子级以近乎垂直的姿态下降。在最后着陆阶段，发动机重新启动进行主动反推实现减速，最后以接近于零的速度垂直降落在着陆平台上，回收后的火箭一子级可以重复使用。垂直起降回收（动力减速回收）具有对现有火箭设计改动小，着陆精度高，能够实现定点安全回收等优点，但对导航制导精度和姿态控制要求极其严格。

图：猎鹰9号火箭回收

三种方案中，垂直起降回收是火箭回收技术的主要发展方向。

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蓝色起源首先实现火箭回收

蓝色起源公司打造出了第一枚突破大气后能在返回地面时成功垂直降落的火箭。2015年，蓝色起源将新谢泼德号火箭发射到100千米的高空，然后火箭返回地面并垂直降落在发射平台上，实现了垂直起降。

在垂直起降过程中，新谢泼德号火箭搭载的BE-3发动机通过电脑控制完成了一系列自动点火。发动机首先是持续点火推动火箭升空。在返回阶段，发动机通过间断点火来调整火箭姿态，使得火箭得以垂直降落。火箭的栅格翼也起到了降低下降速度的作用，将速度控制在600千米/小时左右。在距离地面30米时，火箭发动机再次点火，利用反冲将速度降低到7千米/小时，最终实现了火箭软着陆。

蓝色起源已经实现了多次亚轨道试飞，但遗憾的是一直没有实现轨道级飞行。

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SpaceX猎鹰9号回收全过程

埃隆.马斯克的SpaceX公司设计了新一代可重复利用火箭——猎鹰9号。它分为两级，第一级安装了9台使用液氧和航空煤油作为燃料的梅林发动机，还内置了4根由碳纤维和蜂窝铝合金制成的着陆支架。第二级有1台用来在大气外推进的梅林发动机，同时装载卫星等有效载荷。当火箭成功进入太空，第一级与第二级进行分离，并返回地面。一级助推器需要在空中完成转体，让9台梅林发动机重新朝向地面。等到接近地面时，猎鹰9号的部分发动机会自动点火，同时舰体伸出着陆支架，这样火箭慢慢飞向着陆点、完成降落。下图是猎鹰9号火箭从发射到回收完成的全过程示意图。

图 “猎鹰”9 火箭一子级海上着陆飞行剖面示意图

迄今为止，猎鹰9号火箭已经完成了300多次着陆回收。

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“筷子夹火箭”：星舰实现首次成功回收

目前猎鹰9号火箭回收都是通过海上或者陆上回收平台使用着陆支架完成着陆。美东时间10月13日，SpaceX公司的新一代重型运载火箭“星舰”首次实现发射塔着陆，火箭助推器成功落在了发射塔伸出的两个巨大的机械臂上，被称为“筷子夹火箭”。

在名为“Mechazilla”的巨大“星舰”发射塔上，有三个机械臂。一个是“快速断开臂”，主要用于给“星舰”加注燃料并在发射前保持火箭稳定。另外两个长达36米的机械臂则用于捕捉火箭，被比作一双“筷子”。它们被安装在超重型绞车上，绞车由巨型电机驱动，可以在发射塔上下移动。

图：星舰回收

在本次试飞中， “星舰”助推器在着陆的最后阶段、距离地面约2000米时，同时启动13台发动机制动减速，这些发动机的喷嘴可以灵活旋转调节方向，以控制助推器姿态和飞行轨迹。待降落到一定高度后，外围发动机关闭，中心位置的3台继续工作使助推器进一步减速并几乎垂直落在两根“筷子”中间。在距离地面约几十米高度时，助推器在发射塔前垂直悬停。几秒钟内，“筷子”微微移动并牢牢抓住助推器栅格翼下方的销钉，发动机关机。

星舰火箭采用直接在发射塔降落的方式，是希望能实现助推器快速回收、加注燃料和再次发射，在一天之内实现同一个助推器多次发射。如果在海上或者陆上其他地方着陆，需要使用起重机和运输载具，将助推器吊装和运输送到发射塔，需要花费几小时时间。着陆支架是一次性的，每次发射都需要进行检查和翻新，也需要花时间。所以直接在发射塔使用机器臂完成着陆就避免了转运和翻新着陆支架的问题。此外，星舰使用液氧甲烷作为燃料，燃烧充分，简单维护即可再次使用，无需清洗发动机，也节省了时间。

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结语

从火箭回收技术的发展来看，商业航天出于降低成本的利益驱动，不断创新火箭回收技术，降低火箭发射成本，提升火箭发射效率，从降落伞回收、海上溅落回收到着陆支架回收，再到发射塔回收，创造了一个又一个令人惊艳的奇迹。

马斯克以实现人类火星移民为梦想，但以现有技术完成火星移民需要花费1万万亿美元，即使倾尽全人类的财富都不够。要实现这个梦想，就必须在技术创新上下功夫，如果能降低成本1万倍，只需要花费1万亿美元，相当于中国一年GDP的1/20。这样就非常接近可行了。火箭回收技术的不断创新和进步，将人类离这个梦想拉近了一步又一步。期盼那一天早日到来！