“猎鹰”9 号的复用技术与展望

作者:松鼠

□ 松鼠

“猎鹰”9号火箭在第20次发射中，第一级火箭返回并着陆成功，成为人类火箭工业发展的重要里程碑。“猎鹰”9号火箭的研制者太空探索技术公司执着地追求运载火箭的复用，在复用技术上进行了大量探索，这次成功开创了运载火箭重复使用的新途径。这条道路无论在技术上还是在商业上都是可圈可点的。

坚持不懈的努力

“猎鹰”9号火箭是目前太空探索技术公司的主力运载火箭，同时它还承担着该公司重复使用试验的任务。“猎鹰”9号火箭已经进行了20次发射， 2015年12月22日的第20次发射中“猎鹰”9号火箭的第一级分离后，成功折返飞回发射场并在预定区域降落，让太空探索技术公司艰难的复用探索再现曙光。遗憾的是，11月蓝色起源公司的新谢泼德火箭成功实现了飞跃卡门线之后垂直着陆，抢到了首次火箭垂直着陆的殊荣，命运对历尽坎坷的“猎鹰”9号火箭开了一个不大不小的玩笑。

“猎鹰”9号火箭第一级返回发射场并垂直着陆的成功绝非偶然，事实上回顾历史，“猎鹰”9号火箭的发射史，就是太空探索技术公司跌跌撞撞尝试“猎鹰”9号火箭第一级回收的曲折历史。说苦心人天不负也好，说天道酬勤也罢，面对过去几年付出的努力，太空探索技术公司理应为他们的成功而感到骄傲。

太空探索技术公司“猎鹰”9号火箭最初的回收想法和其他公司没多大区别，“猎鹰”9号火箭第一级再入大气层后将使用降落伞减速，最后落在海面上回收。航天飞机固体助推器就是使用这种方式回收的，而美国其他火箭发射商也曾构想过类似的液体火箭回收方案。当然，液体火箭第一级的再入回收还是一个有待试验的新鲜事物，可能存在无数的挑战与风险，比如脆弱的箭体能否完整地落水，浸海水的火箭发动机能否再次点火等等，但是不试试怎么知道能否成功呢？不过实际试验比想象的还糟糕，“猎鹰”9号火箭接连两次发射时试验再入回收，但第一级都没能完整地落海，而且这个不完整不是类似航天飞机固体助推器落海撞击的壳体变形，而是再入大气层时就由于过载过大解体了。

几十年来无数次出现在火箭公司研制图纸上的液体火箭无控再入看来不太可行，当然航天飞机厚重的钢壳固体助推器证明，加强液体火箭壳体的强度肯定可行，但那样运力上要付出很大的代价，同时不仅发动机的处理仍然是一个大麻烦，而且能否重复使用还要看落水冲击的运气，太空探索技术公司只能想别的办法。

在竞争“商业轨道运输服务”合同时，太空探索技术公司曾面对一个叫基斯特勒公司的对手。这个对手的K-1火箭使用了独特的复用方式：火箭第一级分离后再次点火，类似航天飞机的返回发射场的中止飞行模式那样飞回发射场，最后使用降落伞和气囊着陆。太空探索技术公司可能是受K-1火箭的启发，当然也可能是看到了俄罗斯马克耶夫设计局可重复使用运载火箭的设计，最终选定了反推飞回后受控再入，最后反推垂直着陆发射场的技术路线。这条设计路线还有一些额外的好处：火箭第一级飞回着陆，也就无需派出船只在数百千米外的海上进行回收，不仅避免了落区气象条件对回收的影响，也减少了回收作业的人手。更重要的是，火箭第一级十分钟左右飞回发射场着陆，理论上可以快速检修后迅速再次投入使用，提高复用频率，这是传统海上回收作业根本无法实现的。

为了实现重复使用的远大目标，太空探索技术公司特意研制了“蚱蜢”试验器验证垂直降落技术，“蚱蜢”的试验相对顺利，但“猎鹰”9号的回收试验就相当坎坷了。2013年9月29日“猎鹰”9号V1.1火箭进行了首次发射，这也是“猎鹰”9号新一次进行回收试验，这次发射中“猎鹰”9号火箭不仅将加拿大试验通信卫星CASSIOPE送入太空，它的第一级也顺利点火反推后再入大气层成功，在最后的减速中，火箭姿态失控出现自旋，过早关机，结果第一级坠毁于范登堡空军基地几百千米外的太平洋上。虽然这是一次回收失败，但远不能单纯用“失败”来形容，此前无数专家对液体火箭的再入技术都很不乐观，他们或是忧心高速再入过程中的防热和过载，或是担心平流层高空风对姿态控制带来的巨大干扰，即使是太空探索技术公司自己，也对这次试验并不乐观。谁也没有想到“猎鹰”9号V1.1的首次回收试验居然就戳破了这些纸老虎，第一级顺利降到海面附近。即使是最后姿态失控的问题，太空探索技术公司的工程师们检查后也迅速指出这是一个意外，当初他们设计时是按照有着陆腿来控制的，而这次试验中火箭第一级没有带着陆腿。果不其然，随后2014年4月18日试验中火箭第一级增加了四条着陆腿，展开后火箭反推点火工作正常，最后第一级完整的落入海中时，仍在发送遥测信号！

火箭回收似乎一下触手可及了，可打击也接踵而来。既然“猎鹰”9号火箭第一级再入和减速没什么问题，“蚱蜢”试验器着陆也没什么问题，太空探索技术公司制造了一艘海上回收船，供“猎鹰”9号第一级软着陆试验。说来有趣，海上垂直着陆并非该公司的创意，而是死对头蓝色起源公司曾申请过的专利。恰恰是这个海上着陆试验，让太空探索技术公司吃尽了苦头。

按照通常的想法，火箭能受控再入并减速完整落海，那属于射箭后再画靶子，而火箭弹道再入减速落到船上，那是向靶心射箭。对比火箭和船只的尺寸，要落上去无异于正中靶心，一定是非常困难的。不过事实并非如此，2014年7月14日的首次试验中，“猎鹰”9号火箭第一级在回收船10米外落入海中，这无异于百步穿杨的精度大大鼓舞了太空探索技术公司。福兮祸之所伏，接下来2015年回收试验却接二连三的失败了：2015年1月10日“猎鹰”9号火箭的首次海上着陆回收试验中，火箭由于着陆角度问题在回收船上爆炸，甚至导致船上部分设备损害；2月11日的回收试验中由于落区风浪太大只能放弃，火箭直接坠入大西洋；4月14日的第三次试验中，尽管针对栅格翼液压系统控制系统做了适应性改进，但是着陆力量太大火箭第一级还是翻入海中。更糟糕的是，6月28日火箭在发射货运飞船中直接爆炸，不仅预定的回收试验化为乌有，在完成对火箭的故障检查前，正常发射任务也不得不中止，再次发射和回收试验遥遥无期。

“猎鹰”9号静立在发射场

点火起飞

祸兮福之所倚，太空探索技术公司利用这段难得的时间改进了火箭设计，提高了制造质量，最终在年末以大幅改进的“猎鹰”9号V1.1FT（全推力版）重返发射市场。不仅如此，一再争取后，美国联邦航空管理局在最后一刻发布许可，允许火箭第一级飞回卡纳维拉尔角的第一着陆场着陆，太空探索技术公司的新版“猎鹰”9号火箭也不负众望，12月22日上午发射后又成功的降落在着陆场上，这是人类第一枚参与轨道发射后飞回发射场的运载火箭，一个新的时代开始了。

飞行标志

即将着陆

复用技术的挑战

重复使用的最终目标是极大降低发射成本，“猎鹰”9号火箭通过回收复用能否实现这个远景还有待实践的证明，但它成功飞回着陆本身就是一个了不起的技术成就。“猎鹰”9号火箭着陆试验中，工程师们付出了大量的汗水和努力，克服了多次失败的打击，经过数年时间才最终完成飞回式垂直着陆。这是一家大胆开拓效率极高的商业公司，如果按美国航宇局等政府机构研制模式，恐怕现在“猎鹰”9号火箭还在飞回式方案审批或是缩比降落伞回收的预研阶段。

“猎鹰”9号的试验史，活生生地为我们展示了重复使用技术的难度。首先面对的就是未知，这项技术最大的难题是不知道火箭复用到底会面对哪些问题和挑战，因此也就不知道哪条技术路线更合理，更不知道具体技术路线下哪些问题构成了更大的挑战。“猎鹰”9号火箭尝试了所能想到的所有回收方式，屡败屡战后最终获得成功，为火箭复用技术探索了一条发展路线。不过话说回来，对于航天业界各个机构和公司不同的技术能力而言，“猎鹰”9号的道路是否最合理，仍是一个未知数。常言道做熟不做生，如果其他人更熟悉别的技术，那些太空探索技术公司回避或是撞破头的道路，未必就是死路，结合具体需求而言更是如此。中国航天科技集团公司一院在尝试翼伞回收助推器和群伞回收芯级的道路。发展降落伞回收首先是要实现助推器定点精确坠毁，解决助推器残骸对落区人民的威胁；进一步还将在火箭反推后使用降落伞和气囊着陆，其发展路线和上文提到的K-1火箭十分相似，这条路线未必没有走通的机会。

具体到太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭而言，回收复用的第二个难题就是解决完整再入的问题。“猎鹰”9号火箭使用开式循环的液氧煤油发动机，虽然最新的“梅林” 1D+发动机推重比很高，但发动机比冲始终较低，为了满足运力增长的需求，对火箭箭体的潜力挖掘到了极限。根据官方说法，“猎鹰”9号火箭第一级质量比达到了20左右，也就是说第一级推进剂质量比例达到了95%左右，这就对发动机推重比、储箱结构质量等提出了很高的要求。不管怎么说，一个圆柱体高超音速再入，承受的气动加热和气动过载都要比发射时恶劣太多，薄皮大馅的一级火箭以6马赫左右的速度再入，保持完整的难度是可想而知的。太空探索技术公司为第一级火箭配置了性能更好的氮气反作用控制系统，配合火箭发动机在高空高超音速下的反推减速和矢量控制，保证了火箭第一级再入大气层的成功。此外发动机的重复点火使用能力、发动机喷管喉部的耐烧蚀能力，火箭第一级尾部和发动机的热防护，火箭第一级顶部的栅格翼和控制的液压系统在超音速和亚音速下的控制，以及火箭第一级增加的导航制导系统，都为它的再入成功起到了不可或缺的作用。值得一提的是，“猎鹰”9号火箭再入过程中在高空稀薄大气中进行的点火和反推技术，对火星探索也有着至关重要的作用。火星大气极为稀薄，空气阻力减速慢，因此若想在火星高海拔地区着陆，要么研制新的超音速减速伞要么直接火箭反推，而大质量着陆器更是只能使用反推技术。正因为如此，稀薄大气高超音速下落时火箭发动机的点火一向是美国航宇局感兴趣的问题，但由于得不到预算一直没能进行试验，“猎鹰”9号的试验在这一领域当之无愧的走在了世界前列。

火箭第一级再入大气层减速后，姿态控制仍是一个大问题。一方面减速后的速度仍然有每秒数百米，另一方面平流层的强风，会对火箭姿态构成巨大的干扰，这就要求火箭第一级具备很强的姿态控制能力。“猎鹰”9号火箭使用反作用控制系统配合栅格翼的气动控制，有效地确保了第一级的姿态稳定性和可操控性。回收的最后阶段，“猎鹰”9号火箭第一级还要展开着陆腿并进行最后一次点火减少垂直方向的分速度，降低着陆时对火箭的冲击。最后在着陆前依靠单发火箭发动机控制火箭的飞行弹道和姿态，要比阿波罗登月舱或是嫦娥三号那种单台主发动机加多个反作用控制发动机的垂直降落要复杂得多，倒是和最新的“梦神”着陆器有些相似，但“猎鹰”9号第一级火箭处于大气层内，着陆时气象条件复杂要比月球着陆器的真空着陆困难得多。正因为如此，太空探索技术公司特意研制了“蚱蜢”试验飞行器进行了多次垂直起降飞行，包括横风下的垂直降落，为“猎鹰”9号的成功着陆奠定了基础。以本次成功的着陆为例，“猎鹰”9号F20第一级降落时风速16千米/小时，但仍然精确的垂直降落在大“X”图形交叉点处，根据直播视频，降落风速限制为80千米/小时，这都显示了“猎鹰”9号极高的姿态控制水平。

使用类似“猎鹰”9号火箭和“新谢泼德”火箭的发动机反冲垂直着陆方式有很多好处，除上文提到的降低回收成本、缩短周转周期外，还降低了着陆回收的冲击，减少了娇贵的箭体和设备受损的可能性。这种反冲着陆方式也对火箭和发动机设计提出了苛刻的要求，火箭姿态控制的难度姑且不论，它还要求火箭发动机具备深度节流能力。火箭第一级最后的着陆阶段燃料所剩无几，如果发动机推力大减速就太快了。以“宇宙神”5火箭为例，单台RD-180海平面额定推力390吨，而第一级去掉推进剂外的质量只有21吨，就算着陆时剩余20吨的推进剂，加上RD-180发动机节流到50%，推重比仍然高达4.756，以约40米/秒的加速度减速下降最后触地时垂直下降速度小于4米/秒，这对控制系统要求太高。“猎鹰”9号火箭使用了独特的9发并联设计，这在最初是发动机推力不足的无奈之举，但却对反推飞回着陆方案提供了巨大的便利。“猎鹰”9号火箭着陆前最后一次减速时只启动中心的一台发动机，这大大降低了对节流比的要求，比如“新谢泼德”火箭BE-3发动机要求节流到20%，而“梅林” 1D+发动机只节流到70%。为了提高可靠性，传统运载火箭设计下火箭的发动机数量少推力大，其他国家或公司如果要仿效“猎鹰”9号的垂直着陆设计，如何解决着陆阶段推重比过高问题，将是一个很艰难的选择。美国联合发射联盟未来的“火神”火箭方案中干脆提出空中回收发动机舱，回避了这个难题。

未来展望

“猎鹰”9号火箭着陆成功是举世瞩目的成果，很多人乐观地憧憬廉价进入太空时代即将到来，但严格说“猎鹰”9号火箭尚未走完火箭重复使用的完整流程，现在说这一切还太早了些。“猎鹰”9号火箭的重复使用，从技术上和商业上能走到哪一步，还有待太空探索技术公司未来的探索和尝试。

从理论上说，“猎鹰”9号重复使用成功的几率更大，它的复用是在一种成熟和成功的一次性火箭上进行的增量改进，而不是航天飞机那样截然不同的重复使用航天器，这就意味着“猎鹰”9号火箭重复使用的经济性前景更好。“猎鹰”9号能重复使用一次就有一次的效益，只要回收整备和再次投入发射的成本低于一次性发射的成本，就不会在经济上得不偿失，这与航天飞机必须提高发射频率才能把发射成本降低到一次性火箭之下形成了鲜明的对比。

凡事有利必有弊。“猎鹰”9号重复使用设计是渐进式的增量改进，这也意味着它为重复使用考虑不多，理论上重用次数不高，只能在实际飞行试验中探索复用次数的边界。现在太空探索技术公司提出的将发射成本降低到500万~700万美元，距航天爱好者们津津乐道的将成本降低到现有发射报价的百分之一的宏图大业，还有太大的差距。如果要降低到现有报价的1/10，就必然需要第二级的重复使用，而在第一级重复使用八字刚画完一撇的时候，第二级的重复使用还很遥远，属于几年内都未必能达成的长期目标。

更进一步说，重复使用一定能降低成本么？航天飞机的教训告诉我们，不一定！回收整备需要人力物力的投入，回收复用可靠性会降低多少也是未知数，考虑到现在“猎鹰”9号火箭仍然和其他一次性运载火箭一样，屡屡出现延迟发射的情况，“猎鹰”9号第一级今年就算能试验再次发射，检修整备的人力成本肯定不是一个小数。“猎鹰”9号第一级重复使用的维护成本，能否在不显著降低可靠性的前提下大幅度下降，更是一个未知数。

综上所述，即使是“猎鹰”9号火箭未来完成了重复使用的演示，成本仍是它前进道路上的拦路虎。复用的前途是光明的，但道路仍然曲折，只是现在看到了一线曙光。不过在航天飞机复用降低成本的努力失败后，又有人继续尝试复用降低成本，总是令人欣慰的事情。

回收后的第一级发动机

2015 年航天十大新闻揭晓

1月18日，由《国际太空》、《卫星应用》杂志联合发起组织，本刊参与的2015年全球十大航天新闻和中国十大航天新闻评选揭晓。“中国‘悟空’暗物质粒子探测卫星入轨”和“高分四号升空”成为2015年的热点，同时入选全球十大航天新闻和中国十大航天新闻。

本次评选得到了龙乐豪、余梦伦、刘竹生、王希季、戚发轫、叶培建、范本尧、吴伟仁等院士及其他数十位著名航天专家的大力支持和参与。来自《人民日报》、新华社、《光明日报》、《经济日报》、中央人民广播电台、中国国际广播电台、《中国日报》、《科技日报》、《中国青年报》、中新社、《香港文汇报》、《环球时报》、《中国科学报》、《法制晚报》、《太空探索》、中国网、人民网、新浪网、腾讯网、环球网、中国太空网、北斗网、航天期刊网等媒体的资深记者参加了新闻发布会，发布会还得到中国宇航学会、中国空间科学学会、中国通信学会、中国卫星全球服务联盟、中国卫星应用产业协会等的支持。

全球十大航天新闻（按时间顺序排列）：

1.世界首批全电推进商业通信卫星进入太空

2.“黎明”探测器在世界上率先探测谷神星

3.全球掀起卫星互联网低轨星座发展新高潮

4.“新视野”探测器在世界上首次飞掠冥王星，取得人类探索太阳系的新里程碑

5.人类发现迄今为止与地球最为相似的太阳系外行星

6.美国宣布在火星表面发现液态水

7.美国商业公司在全球首次成功进行火箭回收试验

8.欧洲开启空间引力波探测先河

9.世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的中国“悟空”暗物质粒子探测卫星入轨

10.世界空间分辨率最高、幅宽最大的地球同步轨道遥感卫星高分四号升空

中国十大航天新闻（按时间顺序排列）：