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【墨香溢苑】 火箭回收有多难?
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火箭回收有多难?

李大光

  2016年1月18日,美国太空探索技术公司(SpaceX)用“猎鹰-9”运载火箭成功将一颗海洋观测卫星送入轨道,但在随后的第一级火箭海上回收试验中,没能延续近1个月前陆地回收试验成功的好运,以失败告终。

  火箭回收的探索

  让运载火箭在海面平台上着陆的概念已提出了几十年,但一直未有这方面的成功尝试。2011年,SpaceX提出了“垂直起飞,垂直降落”(简称VTVL)的一级火箭回收复用方案。一级火箭分离后,在再人大气层过程中重新开启3台发动机减速,在接近地面的时候打开4个支撑腿,并启动一台发动机,通过发动机推力的控制,使火箭垂直降落在着陆场上。这个相当“科幻”的重复使用概念其实在1990年就已提出,麦道公司(1997年并入波音)在1991~1996年间,曾经开发了两型“德尔塔快帆”验证机,对相关技术进行飞行验证。不过,“猎鹰-9”一级火箭的飞行高度和速度以及控制难度,远超出了“德尔塔快帆”的已验证范围。

  从2012年开始,SpaceX利用“蚱蜢”火箭开展VTVL技术验证试验。在先后8次的飞行中,最高飞到了744米,并成功降落。但是,“猎鹰-9”火箭第一级分离时,速度高达10马赫,高度在45千米以上,还面临严重的推进剂不沉底、气动载荷、姿态失控、高空横风等问题,这些是“蚱蜢”在地面上蹦一蹦所无法验证的。

  2014年4月18日,SpaceX在利用“猎鹰-9”运载火箭和“龙”飞船执行国际空间站货运补给任务过程中成功实施了火箭第一级“软着陆”试验。“猎鹰-9”火箭第一级降落到大西洋,但遭遇风浪袭击损毁,未能完整回收。7月14日,SpaceX利用“猎鹰-9”火箭成功将6颗通信卫星发送至低地球轨道,同时还利用此次发射测试回收程序,如多级火箭分离后重新定向第一级、在海面上降落、着陆支架展开等。

  2015年1月10日,SpaceX成功向国际空间站发射了“龙”飞船,但“猎鹰-9”运载火箭第一级海上回收尝试以失败告终,火箭在海面浮动平台硬着陆并损毁。此次发射中最令人关注的是“猎鹰-9”运载火箭的第一级能否首次在没有锚定的海面浮动平台上精准着陆。6月28日,“猎鹰-9”运载火箭执行国际空间站货运补给任务,火箭升空两分半钟后突然爆炸解体,原计划让火箭第一级垂直降落在海上漂浮平台的尝试再次失败。

  2015年12月21日,“猎鹰-9”运载火箭搭载11颗通信卫星,从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,10分钟后,第一级火箭成功着陆地面平台,首次实现安全回收。这成为航天领域具有里程碑意义的重大事件,标志着可重复使用火箭技术迈出了一大步。鉴于此前两次一级火箭回收试验失败,火箭或直接坠人大海或因硬着陆而爆炸损坏,SpaceX这一次使用了升级版火箭,并将着陆点从海洋转移到陆地,从而获得了成功。

  可惜的是,2016年初“猎鹰-9”没有一鼓作气地成功实现海上着陆,未能为SpaceX创下第二座里程碑。“猎鹰-9”第三次海上回收视频显示,在“猎鹰-9”的一根着陆支架未能锁定之前,此时火箭已经精准地降落到海上驳船上,导致箭体翻倒继而引发爆炸。SpaceX公司首席执行官埃隆-马斯克称,“猎鹰-9”海上着陆失败的“根本原因或是火箭在升空时,大雾凝结造成了冰集聚所致”。

  火箭回收的难度

  目前,运载火箭都是一次性航天工具,其第一级火箭在完成分离后会坠落到陆上无人区或空旷海域,不可重复使用。埃隆·马斯克曾形容火箭使用的浪费程度,就和一架波音747客机仅作了单趟飞行就报废一般。造价高昂的火箭如果能摆脱“一次性”用品角色,未来航天发射的成本有望大大降低。这就是为什么人们历经失败仍坚持尝试的原因,不过他们需要克服的难题不小。

  运载火箭回收试验有两大难点:一是让火箭第一级在分离后垂直下降,其难度就像在暴风雨中让一根扫帚平稳地直立在手掌上;二是精准降落在没有锚定且只有足球场大小的浮动平台上极其困难,其着陆精度要求在10米以内。因此,回收火箭首先要解决火箭着陆精度问题,要能够回收到预定地点。其次,火箭要以垂直的姿态降落,必须解决姿态控制问题,而越是竖长的物体,就越难以控制。此外,还要解决减速问题,必须是软着陆,又不用降落伞,所以只能用反向推力装置。而且,回收的过程是一个变速过程,在这个变速过程中如何始终解决好以上几大问题,难度非常高。就回收平台来说,在海上平台上回收火箭比陆地平台更难,因为陆地上气象条件更好,回收面积也可以更大,平台更稳定。不过,在陆上降落意味着火箭在空中飞行距离可能更长,消耗的燃料更多。

  从垂直回收技术上来看,在回收过程中要通过火箭发动机在推力和方向上不断地调节和调整来进行精确控制,这对燃烧室、涡轮泵、阀门等各组件要求很高。此外,还需要解决大长径比的发动机垂直降落的姿态控制、支撑结构设计等一系列难题。更重要的是,回收系统不仅要能够实现基本功能,还要达到相当高的可靠性。火箭的重量、体积必须最小化,否则会成为一个巨大的“累赘”。

  可靠的回收只是火箭重复使用的第一步,接下来要验证火箭的发动机是否可以重复使用,还要进一步验证回收二级火箭的可行性。

  火箭的重复使用对于发动机核心部件的性能和寿命提出了更高要求。目前火箭发动机的设计寿命、试车时间都是以秒为单位计算。对于一次性使用的火箭来说,保证材料和相关设计在短时间能顶得住是一个问题,确保长寿命使用又是另外一个问题。美国航天飞机的主发动机的燃烧室压强高达207个大气压,燃烧室的工作温度约为3300℃(目前最先进的涡扇发动机涡轮温度不到1700℃),其中一个小小的涡轮泵的功率就是目前最先进主战坦克发动机功率的数十倍。让这样的发动机顺利工作一次就已经非常困难,而要重复使用多次,那么对材料和工艺的要求必须要上一个巨大的台阶。

  火箭首次成功回收只是一个开始,意味着这项技术具有可行性,但想要真正掌握这一技术,还需要通过多次试验验证其可靠性,由成功变成成熟。一旦这些技术可以完全实现,将大大降低航天发射成本。专家预计,如果回收并重复使用第一级火箭,可以降低80%的成本,而如果能回收并利用第二级将可以降低98%的成本。

  火箭回收的“比拼”

  严格来说,“猎鹰-9”火箭并非第一枚成功回收的火箭,而是第一枚成功实现回收的轨道运载火箭。因为2015年11月24日,亚马逊创始人杰夫·贝索斯旗下的“蓝色起源”太空公司成功将“新谢帕德”号火箭发射到约100千米的高度,火箭随后又成功返回发射场。这是全球第一个发射升空后又完好无损返回地面的火箭。不仅如此,该公司还于2016年1月22日把回收的火箭再次发射并令其成功在陆地上软着陆。

  那么,相对于上述可回收火箭,“猎鹰-9”运载火箭又先进在哪里呢?“猎鹰-9”的目标是将有效荷载运送到近地轨道,而“新谢帕德”的目标只是未来将乘客送往亚轨道,无论从飞行高度还是速度都和进行轨道发射的运载火箭不是一个量级。而且“猎鹰-9”运载火箭第一级的长径比远远大于前者,控制难度更大,回收难度也更大。

  2015年4月,与美国军方关系密切的一家航天公司——“美国发射联盟”公布了其新一代军用运载火箭的部分设计。这种新型运载火箭被定名为“火神”,它具有两大先进技术,首先是第一级火箭可重复使用,其次它的第二级火箭在完成任务后可停留在轨道充当加油站,允许其他航天器与其对接并获得燃料补给。预计这两项技术将在2023~2024年后达到实用水平。

  从发展的角度来看,重复使用将是未来运载火箭发展的一个趋势,无论在商业上还是在军事上都有潜在的价值。除了美国,欧洲、日本甚至印度都在对相关技术进行预研。2015年1月5日,法国宣布已开始与德国等国开展小型技术研究项目,研制以液氧/甲烷为燃料的可重复使用火箭。

  我国的火箭可重复使用技术仍然处于探索阶段,尚未实现工程应用。我国的载人飞船也是采用垂直着陆方式,因此,我国的火箭可重复使用技术研究或将建立在垂直升降技术基础上。然而,重复使用的火箭对基础工业和材料工业的要求将达到一个空前高度,这是对中国航天工业的一个新考验。
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