火箭回收复用意义

运载火箭的研制复杂，耗资巨大，成本问题已成为制约航天事业发展的主要因素之一。随着航天技术的发展，大幅度降低成本成为运载火箭研制中必须重点考虑的问题。运载火箭作为商业航天主要的运载工具，降低其商用成本、满足市场所需是运载火箭大规模商业化应用的关键，也是构建整个商业航天生态的基石。

有效降低火箭成本的三种途径为：一是火箭回收与重复使用；二是垂直整合产业链与自主研发核心技术；三是采用通用化设计，使用市场货架产品。其中，火箭可回收技术是降低成本最核心且有效的方式。

火箭回收模式

运载火箭实现可重复使用需要在火箭完成使命后，使其安全返回地面才能在检修后再次投入使用。因此，回收方式对可重复使用运载火箭的设计至关重要，可分为伞降回收、垂直回收及带翼飞回三种：

伞降回收：是一级火箭完成级间段分离后使用降落伞进行回收的方式，具有技术成熟度高、运载能力损失小（约10%）、成功率高等优势，尤其能减少对地面人员设施的危害。但伞降回收对着陆地形要求高且难以控制着陆点，火箭落地后发动机也随之报废，与真正意义上的“回收利用”差距很大。采用伞降回收的代表火箭如联合发射联盟公司（UnitedLaunch Alliance，ULA）的“火神”火箭，该火箭一级发动机结束工作完成级间分离后，使用降落伞进行减速，由直升机在空中实现回收。

 

来源：网络

 

图 | “火神”火箭SMART技术示意图，资料来源：智东西

垂直回收：是通过重启一级火箭发动机以减速并调整至指定地点的回收方式，重启发动机需预留推进剂，火箭运载能力损失约30-50%。采用垂直回收的代表火箭如SpaceX的猎鹰9号运载火箭，该火箭一级火箭分离后，通过姿态控制系统使一级火箭倒转，重启发动机反推火箭进入预定返回轨道，据报道，猎鹰9号火箭运载能力因回收会损失运载能力达40%以上。

此外，绳网回收是一种新提出的垂直着陆回收减速方式，在地面设置特殊材料的绳网，当火箭的一级落在绳网区域时，感应器就会感应到绳网，然后控制绳网主动钩挂火箭。

 

来源：网络

带翼飞回：是一级火箭装备机翼、起落架等结构利用空气动力滑翔降落的回收方式，该方式对火箭整体结构设计要求高，机翼结构重量等因素致使火箭运载能力损失约40%。采用带翼飞回回收的典型代表是俄罗斯提出的贝加尔号有翼助推器方案，贝加尔号为第一级带翼飞回式助推器，可飞回发射场以自动方式像飞机一样着陆，可重复使用100次。

来源：网络

伞降回收、带翼飞回各有限制，垂直回收可回收包括发动机在内的核心部件，商业应用价值最高。伞降回收方式不能改变飞行轨迹，返回过程箭体载荷环境较为恶劣，着陆精度差，对回收和复用不利，且受限于降落伞尺寸，难以满足较大箭体的回收。带翼飞回目前仍停留在概念设计阶段，利用自身动力飞回发射场并水平着陆需要对火箭设计改动，造成结构更复杂、质量增加，导致运载能力损失较大。

而垂直回收则能够有效改善上述问题，通过发动机多次点火减小飞行载荷、提高着陆精度，同时其对火箭设计的改动最小，可回收包括发动机在内的核心部件，在三种回收方式中商业应用价值最高，但实现火箭垂直回收需要攻克一系列关键技术问题。

一是火箭的总体参数必须进一步进行优化设计，特别是回收过程中，需要对回收部件的推进系统、返回火箭级的重量等重新进行调整。二是火箭在返回时必须以垂直姿态进行，因此对返回的精度控制要求非常高，一方面是对轨道的控制，另一方面是对落点的控制。三是火箭发动机除了要能够可重复使用以外，还要具有推力可调的特性，以保障能够随时维持垂直降落的方向和速度。四是，着陆时要有非常有效的缓冲。在回收的火箭级中，必须要配备高效的缓冲装置，在即将接近地面时，保证防止箭体倾斜、进一步降低下降速度、能够经受发动机喷出的高温等离子流等方面的需要。

SpaceX火箭回收发展现状

近10多年来，美国SpaceX公司在火箭回收上可谓下足了功夫，中间也经历了回收方式的重大变革，比如2012年9月到2013年10月，以蚱蜢系列火箭为实验对象的“跳跃实验”，通过垂直起落、空中悬停、精准地返回基座等程序，为后续回收火箭技术的成熟提供了诸多有价值的数据和经验。

后来，SpaceX公司又延续“跳跃实验”，进行了火箭一级部分整体回收的实验，结果因一个零件的失误而失败。随后，又在2015年进行了三次海上回收实验，结果都以失败告终。紧接着，SpaceX公司又进行了陆地回收的多次实验，中间也发生了数起降落点不精确、火箭体着陆时减速不到位、着陆时角度控制不佳等而发生的爆炸事故。但是，这些失败，并没有阻止马斯克对火箭回收的热忱，反而激发了他不达目的不罢休的冲劲，终于在2015年12月第一次成功完成陆地回收火箭，后来又在海上成功实现回收。

 

来源：网络

SpaceX从2015年开始回收火箭。2021年12月22日，SpaceX完成了猎鹰九号火箭助推器的第100次着陆回收，正巧发生在该公司第一次回收火箭的周年纪念日当天。目前SpaceX公司已经回收火箭194次，其中仅失败4次，另有5次未回收，成功了185次。目前复用最多的B1058号一级火箭，已经成功发射和回收了15次，B1051、B1060两枚一级火箭，也都发射和回收了14次，还有一大批发射10次以上的“二手”火箭。这些火箭表面早已烟熏火燎地黑黝黝的，连油漆都不涂了，仿佛一枚枚值得炫耀的“勋章”。

理论上来说，猎鹰九号火箭可以回收100次，但实际上可能远远达不到这个数字，比如发射和回收14次的B1051，就在今年11月12日完成发射任务之后被放弃了。当时它将国际通信卫星组织的2颗C波段通信卫星Galaxy 31、Galaxy 32送入地球同步轨道之后，就没有回收一级火箭，任由它们坠入大西洋。

2022年猎鹰火箭全年发射次数达到61次，比2021年的31次几乎翻倍。平均每5.98天发射一次，超额完成马斯克每周发射一次的年度目标。2022年，SpaceX消耗掉3枚猎鹰箭体。分别是B1066.1箭体（猎鹰重型芯级），B1051.14（未披露），B1049.11（未披露）。2022年，SpaceX共启用了6枚全新的猎鹰火箭箭体，包括猎鹰重型的3枚全新箭体，执行了4次发射任务。其余的57次发射任务使用复用的旧火箭。

我国火箭回收发展现状

我国正在开展火箭回收技术的研发。从目前来看，我国还不具备火箭回收的成熟技术体系，主要原因在于火箭的回收，对火箭的芯级推重比有很严格的要求，回收的火箭核心级重量仅有发射的10%左右，如果一味用大推力火箭，那么在回收时一启动发动机就达不到稳定的目的。在这方面，SpaceX公司在猎鹰9号上，采有的是9台发动机并联+梅林发动机的深度节流方式，说实话，我们目前虽然在发动机技术上已经比较接近美国的水平，但是在箭体技术方面还差得较远，即使能回收那么复用时的运力水平也会大幅下降，达不到从根本上节约成本的目的。

不过，从航空航天长远的效益出发，我国仍然在默默地进行着火箭回收的技术革新和规划论证，从已知的情况看，目前长征6X垂直返回技术验证火箭已经完成立项工作，而长征8R垂直返回火箭也正在开展相关的研发工作，从工作的进程上看，已经超过了欧航局阿丽亚娜6火箭的回收研发，正在向不断追赶SpaceX的方向一步一个脚印前进。

2020年12月，我国新一代运载火箭长征八号首飞成功，该研制团队以垂直起飞和垂直降落为目标，围绕火箭一级回收在着陆缓冲机构、低空低速的返回段制导、自主控制等回收技术领域做了试验。除了国家队之外，我国民营火箭公司也在进行火箭垂直回收相关实践。

 

 

 

 

 

图 | 我国火箭回收技术发展现状，资料来源：灰机wiki

免责声明：本公众号发布内容部分信息来源网络，本平台不对文章信息或资料真实性、有效性、准确性及完整性承担责任。文章仅供阅读参考，不作任何投资建议，如有侵权请联系删除。