火箭回收復用意義

運載火箭的研制復雜，耗資巨大，成本問題已成為制約航天事業發展的主要因素之一。隨著航天技術的發展，大幅度降低成本成為運載火箭研制中必須重點考慮的問題。運載火箭作為商業航天主要的運載工具，降低其商用成本、滿足市場所需是運載火箭大規模商業化應用的關鍵，也是構建整個商業航天生態的基石。

有效降低火箭成本的三種途徑為：一是火箭回收與重復使用；二是垂直整合產業鏈與自主研發核心技術；三是采用通用化設計，使用市場貨架產品。其中，火箭可回收技術是降低成本最核心且有效的方式。

火箭回收模式

運載火箭實現可重復使用需要在火箭完成使命后，使其安全返回地面才能在檢修后再次投入使用。因此，回收方式對可重復使用運載火箭的設計至關重要，可分為傘降回收、垂直回收及帶翼飛回三種：

傘降回收：是一級火箭完成級間段分離后使用降落傘進行回收的方式，具有技術成熟度高、運載能力損失小（約10%）、成功率高等優勢，尤其能減少對地面人員設施的危害。但傘降回收對著陸地形要求高且難以控制著陸點，火箭落地后發動機也隨之報廢，與真正意義上的“回收利用”差距很大。采用傘降回收的代表火箭如聯合發射聯盟公司（UnitedLaunch Alliance，ULA）的“火神”火箭，該火箭一級發動機結束工作完成級間分離后，使用降落傘進行減速，由直升機在空中實現回收。

 

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圖 | “火神”火箭SMART技術示意圖，資料來源：智東西

垂直回收：是通過重啟一級火箭發動機以減速并調整至指定地點的回收方式，重啟發動機需預留推進劑，火箭運載能力損失約30-50%。采用垂直回收的代表火箭如SpaceX的獵鷹9號運載火箭，該火箭一級火箭分離后，通過姿態控制系統使一級火箭倒轉，重啟發動機反推火箭進入預定返回軌道，據報道，獵鷹9號火箭運載能力因回收會損失運載能力達40%以上。

此外，繩網回收是一種新提出的垂直著陸回收減速方式，在地面設置特殊材料的繩網，當火箭的一級落在繩網區域時，感應器就會感應到繩網，然后控制繩網主動鉤掛火箭。

 

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帶翼飛回：是一級火箭裝備機翼、起落架等結構利用空氣動力滑翔降落的回收方式，該方式對火箭整體結構設計要求高，機翼結構重量等因素致使火箭運載能力損失約40%。采用帶翼飛回回收的典型代表是俄羅斯提出的貝加爾號有翼助推器方案，貝加爾號為第一級帶翼飛回式助推器，可飛回發射場以自動方式像飛機一樣著陸，可重復使用100次。

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傘降回收、帶翼飛回各有限制，垂直回收可回收包括發動機在內的核心部件，商業應用價值最高。傘降回收方式不能改變飛行軌跡，返回過程箭體載荷環境較為惡劣，著陸精度差，對回收和復用不利，且受限于降落傘尺寸，難以滿足較大箭體的回收。帶翼飛回目前仍停留在概念設計階段，利用自身動力飛回發射場并水平著陸需要對火箭設計改動，造成結構更復雜、質量增加，導致運載能力損失較大。

而垂直回收則能夠有效改善上述問題，通過發動機多次點火減小飛行載荷、提高著陸精度，同時其對火箭設計的改動最小，可回收包括發動機在內的核心部件，在三種回收方式中商業應用價值最高，但實現火箭垂直回收需要攻克一系列關鍵技術問題。

一是火箭的總體參數必須進一步進行優化設計，特別是回收過程中，需要對回收部件的推進系統、返回火箭級的重量等重新進行調整。二是火箭在返回時必須以垂直姿態進行，因此對返回的精度控制要求非常高，一方面是對軌道的控制，另一方面是對落點的控制。三是火箭發動機除了要能夠可重復使用以外，還要具有推力可調的特性，以保障能夠隨時維持垂直降落的方向和速度。四是，著陸時要有非常有效的緩沖。在回收的火箭級中，必須要配備高效的緩沖裝置，在即將接近地面時，保證防止箭體傾斜、進一步降低下降速度、能夠經受發動機噴出的高溫等離子流等方面的需要。

SpaceX火箭回收發展現狀

近10多年來，美國SpaceX公司在火箭回收上可謂下足了功夫，中間也經歷了回收方式的重大變革，比如2012年9月到2013年10月，以蚱蜢系列火箭為實驗對象的“跳躍實驗”，通過垂直起落、空中懸停、精準地返回基座等程序，為后續回收火箭技術的成熟提供了諸多有價值的數據和經驗。

后來，SpaceX公司又延續“跳躍實驗”，進行了火箭一級部分整體回收的實驗，結果因一個零件的失誤而失敗。隨后，又在2015年進行了三次海上回收實驗，結果都以失敗告終。緊接著，SpaceX公司又進行了陸地回收的多次實驗，中間也發生了數起降落點不精確、火箭體著陸時減速不到位、著陸時角度控制不佳等而發生的爆炸事故。但是，這些失敗，并沒有阻止馬斯克對火箭回收的熱忱，反而激發了他不達目的不罷休的沖勁，終于在2015年12月第一次成功完成陸地回收火箭，后來又在海上成功實現回收。

 

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SpaceX從2015年開始回收火箭。2021年12月22日，SpaceX完成了獵鷹九號火箭助推器的第100次著陸回收，正巧發生在該公司第一次回收火箭的周年紀念日當天。目前SpaceX公司已經回收火箭194次，其中僅失敗4次，另有5次未回收，成功了185次。目前復用最多的B1058號一級火箭，已經成功發射和回收了15次，B1051、B1060兩枚一級火箭，也都發射和回收了14次，還有一大批發射10次以上的“二手”火箭。這些火箭表面早已煙熏火燎地黑黝黝的，連油漆都不涂了，仿佛一枚枚值得炫耀的“勛章”。

理論上來說，獵鷹九號火箭可以回收100次，但實際上可能遠遠達不到這個數字，比如發射和回收14次的B1051，就在今年11月12日完成發射任務之后被放棄了。當時它將國際通信衛星組織的2顆C波段通信衛星Galaxy 31、Galaxy 32送入地球同步軌道之后，就沒有回收一級火箭，任由它們墜入大西洋。

2022年獵鷹火箭全年發射次數達到61次，比2021年的31次幾乎翻倍。平均每5.98天發射一次，超額完成馬斯克每周發射一次的年度目標。2022年，SpaceX消耗掉3枚獵鷹箭體。分別是B1066.1箭體（獵鷹重型芯級），B1051.14（未披露），B1049.11（未披露）。2022年，SpaceX共啟用了6枚全新的獵鷹火箭箭體，包括獵鷹重型的3枚全新箭體，執行了4次發射任務。其余的57次發射任務使用復用的舊火箭。

我國火箭回收發展現狀

我國正在開展火箭回收技術的研發。從目前來看，我國還不具備火箭回收的成熟技術體系，主要原因在于火箭的回收，對火箭的芯級推重比有很嚴格的要求，回收的火箭核心級重量僅有發射的10%左右，如果一味用大推力火箭，那么在回收時一啟動發動機就達不到穩定的目的。在這方面，SpaceX公司在獵鷹9號上，采有的是9臺發動機并聯+梅林發動機的深度節流方式，說實話，我們目前雖然在發動機技術上已經比較接近美國的水平，但是在箭體技術方面還差得較遠，即使能回收那么復用時的運力水平也會大幅下降，達不到從根本上節約成本的目的。

不過，從航空航天長遠的效益出發，我國仍然在默默地進行著火箭回收的技術革新和規劃論證，從已知的情況看，目前長征6X垂直返回技術驗證火箭已經完成立項工作，而長征8R垂直返回火箭也正在開展相關的研發工作，從工作的進程上看，已經超過了歐航局阿麗亞娜6火箭的回收研發，正在向不斷追趕SpaceX的方向一步一個腳印前進。

2020年12月，我國新一代運載火箭長征八號首飛成功，該研制團隊以垂直起飛和垂直降落為目標，圍繞火箭一級回收在著陸緩沖機構、低空低速的返回段制導、自主控制等回收技術領域做了試驗。除了國家隊之外，我國民營火箭公司也在進行火箭垂直回收相關實踐。

 

 

 

 

 

圖 | 我國火箭回收技術發展現狀，資料來源：灰機wiki

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