羣雄逐鹿，火箭回收複用方案比拼_風聞

來源：中國航天報

11月18日，美國“星艦”進行第二次試飛，未能按計劃實現回收。此前，“雙曲線二號”完成了我國首次液體火箭全尺寸一子級垂直起降與複用飛行試驗，“天龍三號”等可回收複用火箭的首飛計劃也陸續公佈。可回收複用火箭需要解決哪些技術難題？縱觀國內外型號，有望選用哪些設計方案？它們各自具備怎樣的優缺點呢？

轉變思路

要求較高

火箭回收複用可以顯著降低綜合成本，受到了國內外航天科研人員青睞。不過，這個目標對於火箭發展思路轉變和技術手段升級都提出了更高的要求，需解決一系列難題。

我國“雙曲線二號”進行一子級回收試驗

可回收複用火箭的構型傾向於簡化設計，大致可分為兩類：第一級（起飛級）回收以及第一級、第二級（軌道級）全回收。其中，火箭第一級的關機速度約為2000米/秒～3000米/秒，承受氣動加熱相對沒那麼嚴重，而且自身結構尺寸較大，高價值元器件較多，實現回收複用的代價較小，有望帶來更大的收益。而火箭第二級高速入軌的過程中，氣動加熱劇烈，受到較嚴苛的質量限制，實現回收複用的難度和代價要遠遠大於第一級。因此，各方研究的火箭回收複用方案多數針對第一級。

當然，火箭第一級回收複用仍不是簡單的工作。首先需要明確，火箭回收複用不是目的，而是節約成本的手段，必然會付出損失運力的代價，因此科研人員需要認真權衡設計方案的效費比，滿足一定的效益標準，並且儘量縮短火箭複用發射週期。如果火箭總體性能較差或構型選取不佳，導致回收複用收益降低，那麼這種“純粹的技術成就”是缺乏現實意義的。

其次，火箭回收複用對於構型、動力系統等都提出了更高的要求。比如，為了降低複雜性，大多數可回收複用火箭選擇兩級“光桿”設計，第一級將多台發動機集成到一個模塊中，希望簡化製造、組裝過程，因此對發動機的可包絡性和承力結構提出了新要求。獵鷹9火箭第一級的8台發動機環繞1枱布局就屬於新嘗試。

再比如，傳統火箭第一級對質量不太敏感，而可回收複用火箭為了獲得較大收益，要求第一級進行較大幅度地減重。受限於第一級的返回速度限制，火箭第二級需要提供的速度增量更多，因此必須同步提高性能，為此增加的成本不宜超過第一級回收複用的收益。

最後，火箭第一級有必要在反推力發動機、降落傘等技術手段輔助下精確返回預定落區，高精度導航必不可少，克服氣動加熱的耐燒蝕箭體材料不可或缺，對箭載計算機、推進劑分配系統等性能也提出了更高的要求。

三路並進

各有優劣

當前，國內外在火箭第一級回收方案上主要有3種技術途徑：降落傘回收、滑翔回收和垂直起降回收。三者各有優劣，具體選擇哪種方式，科研人員需根據技術積累和追求目標而定。

美國電子號火箭第一級利用降落傘回收

事實上，降落傘回收是最傳統的火箭回收複用方案。火箭第一級分離後，通過氣動加熱、振動等重重考驗，展開降落傘減速，最終或在海上濺落，或藉助着陸腿和氣囊，安穩落地，或由直升機從空中抓取。美國火箭實驗室公司的電子號火箭是商業化應用降落傘回收方案的典型案例。

該方案的優點是系統簡單，火箭運力損失較小。缺點是開傘後火箭第一級控制能力較差，導致着陸地區域的隨機性較大。此外，海上濺落需克服鹽霧腐蝕難題，陸上着陸需配備質量、衝擊力較大的着陸腿，直升機空中抓取則極大限制了火箭尺寸，導致大中型火箭難以採用該方案。

此前，該方案多用於回收固體火箭和航天飛機助推器。電子號火箭得益於碳纖維箭體和電泵發動機，質量控制較好，受海水影響相對較小，因此使用了降落傘回收方案。

帶翼火箭回收在20世紀90年代一度成為熱門，被視為航天飛機或空天飛機的過渡方案，性能優勢明顯。但該方案要求發射國家擁有廣袤的國土，以便火箭返回機場，綜合成本較高，而增裝的可摺疊機翼質量較大，難免會給火箭結構研製帶來挑戰，可靠性面臨考驗。另外，該方案需同時兼顧傳統火箭和飛機兩種運行狀態，導致系統複雜，始終未成為火箭主流回收方式。俄羅斯曾經提出過多種類似的火箭滑翔回收方案，但均未實用化。

獵鷹重型火箭的兩枚助推器垂直着陸回收

火箭垂直起降回收是近年來逐漸形成的發展趨勢。簡單地説，火箭第一級在分離後預留一些燃料，主發動機在下落過程中再次開機，確保火箭第一級降落到海上平台或陸上着陸場。該方案使火箭第一級實現了寬域定點回收，便於迅速入廠翻修，經濟性較好。

與之相對應的是，該方案需要嚴格的質量控制和較高水平的技術投入，克服一系列新問題，包括火箭第一在無動力滑行段的推進劑管理、發動機多次啓動和大範圍變推力性能、無火工多次點火方式等，實現難度較大。

值得注意的是，火箭垂直起降回收方案普遍不具備懸停能力，依賴承力較大的着陸腿抗衡着陸衝擊，風險不小。目前，一些地面助降系統正在研發中，嘗試應用繩網捕獲技術等，取代着陸腿，有望改善回收的可靠性。

此外，在一些新型可回收複用火箭上，全流量補燃循環發動機將取代燃氣發生器循環發動機，進一步提升火箭運力。不過，全流量補燃循環屬於強耦合系統，對發動機時序調整的精度要求極高，因此在垂直起降火箭上真正大規模投入使用仍需一些時間。

解放思路

追求極限

為了追求更高的性能和更大的收益，一些航天企業提出了更加激進的火箭兩級全複用方案。考慮到軌道返回速度高達25馬赫，使用類似回收火箭第一級的直接再入模式顯然是行不通的，必須通過增設非燒蝕隔熱結構，保障火箭第二級安全地高速再入。

其實，科研人員設計火箭第二級回收複用方案時，可以適當參考航天飛機和空天飛行器的經驗教訓。航天飛機累計134次軌道再入，133次成功返回，但其使用的增強型碳-碳隔熱瓦耐撞擊性、可替換性差，成為致命缺陷。X-37B空天飛行器吸取教訓，選擇了整體增韌抗氧化複合材料，擁有更高的耐受温度和強度。

不過，火箭的大部分容積和質量用於推進劑，第二級返回時近似“空載”狀態，如果配備機翼和大量防熱結構，運載效率將難以接受。因此，一些小尺寸的火箭第二級可以考慮帶翼滑翔返回方案，大多數新一代火箭必須應用新體制的耐熱和返回結構。

“星艦”第二級為回收做了許多準備工作

對此，各方給出了不同的新思路。SpaceX公司考慮到超高速再入所帶來的熱負荷超出了碳纖維或傳統鋁鋰合金的耐受範圍，為“星艦”選定不鏽鋼箭體，並敷設模塊化輕質隔熱瓦，便於低成本快速替換。“星艦”第二級返回流程複雜，先進行半彈道再入，藉助配平翼調整俯仰，在着陸前“抬頭”，啓動發動機減速，最終垂直着陸。這對推進劑管控工作和發動機寬域進口點火能力都提出了空前的考驗，因此“星艦”應用了頭部小儲罐，希望避免氣液晃動造成的發動機入口“夾氣”問題，不惜損失部分性能，確保發動機可靠地點火。

還有一些航天公司選擇了主動冷卻方案，也就是在火箭第二級上應用了液氫再生冷卻隔熱措施，加熱的氫氣直接流入發動機。美國宇航局和一些公司測試了柔性充氣式熱盾，有可能用於火星着陸器，也可以用於回收火箭第二級。不過，這種“氣墊”在本質上屬於軌道級降落傘，或許下降的過程中需要由直升機空中捕獲。至於提高火箭第二級回收複用的經濟性，相關探索仍在繼續。

從獵鷹9火箭到“星艦”，從奮力攻關的試驗火箭到大膽探索的新一代可回收複用火箭方案，更高效益、更高週轉效率的航天運輸“新畫卷”正在徐徐展開。為了追求高回報率，運載火箭的傳統理念逐漸被更新，引導着新技術、新工藝廣泛投入實用化。火箭複用不易，未來前景無限。