垂直回收一枚火箭到底有多難？

Callejon

垂直起降（vertical takeoff vertical landing,VTVL），顧名思義就是垂直起飛和垂直降落。火箭通過垂直起降可以達(dá)到回收子級(jí)并重復(fù)利用的目的。

SpaceX的獵鷹9號(hào)火箭正是目前最具代表性的垂直起降可回收火箭。

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三大主流回收方式中，相比于傘降回收，垂直起降回收著陸精度高、著陸沖擊小，能實(shí)現(xiàn)包括一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)等核心部件在內(nèi)的箭體整體無損傷回收；相比于帶翼水平回收，垂直起降回收對(duì)地面場(chǎng)地及保障要求低、對(duì)運(yùn)載效率影響小、技術(shù)難度較低。因此，垂直起降回收因商業(yè)應(yīng)用價(jià)值最高而成為香餑餑，是當(dāng)前火箭回收的最主流方式。

放眼國內(nèi)外研制進(jìn)展，已經(jīng)真正意義上成功實(shí)現(xiàn)垂直回收全比例火箭的僅有美國的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和藍(lán)色起源公司（Blue Origin），這也直接說明了這種火箭回收方式的“闖關(guān)”難度級(jí)別之高。

起飛、爬升、分離、動(dòng)力減速、氣動(dòng)減速、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、平穩(wěn)垂直落地……這是對(duì)火箭垂直回收過程的粗略概括。

事實(shí)上，火箭真正的垂直起降回收過程非常復(fù)雜而“兇險(xiǎn)”。簡(jiǎn)單設(shè)想一下，一支直立的細(xì)長(zhǎng)鉛筆被拋出去，經(jīng)歷短暫的飛行過程，最后還得穩(wěn)當(dāng)?shù)胤祷?，以直挺挺的姿態(tài)及很小的落速高精度豎直降落在指定的地方。

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在這個(gè)旅程中，鉛筆簡(jiǎn)直是“步步驚心”的狀態(tài)，可能遭受的意外包括但不限于：高空失控被折斷，偏離軌道沒法返回，力量拿捏不準(zhǔn)造成下落速度太快而摔落，落地姿態(tài)不夠直而傾倒，落地位置不在指定范圍等。

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做真實(shí)火箭的垂直起降試驗(yàn)，對(duì)將來突破火箭重復(fù)使用和回收技術(shù)來說最有意義。那么，對(duì)于一枚真實(shí)火箭而言，若要成功實(shí)現(xiàn)垂直回收，到底該怎樣“打怪升級(jí)”呢？

發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火，推力連續(xù)可變

火箭要實(shí)現(xiàn)垂直返回，作為火箭“心臟”的發(fā)動(dòng)機(jī)就必須具備兩個(gè)關(guān)鍵的基本能力：多次啟動(dòng)；大范圍推力調(diào)節(jié)。以上是實(shí)現(xiàn)火箭垂直回收的基礎(chǔ)。

就像一輛急馳中的汽車，油門、剎車交替，不停重啟幾次，中間還要頻繁換擋，最終精準(zhǔn)行駛到劃定位置。顯而易見，這是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)能力的最大考驗(yàn)。

在火箭實(shí)際垂直回收過程中表現(xiàn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，火箭起飛，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，火箭一級(jí)和二級(jí)分離；火箭一級(jí)在返回過程中再啟動(dòng)，先做一個(gè)減速；高速進(jìn)入大氣層后利用大氣減速；在著陸時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)再點(diǎn)火，繼續(xù)進(jìn)行減速和控制?？偠灾l(fā)動(dòng)機(jī)要經(jīng)歷2～3次啟動(dòng)。

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其中，獵鷹火箭在垂直回收的發(fā)射任務(wù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)總共要經(jīng)歷3-4次點(diǎn)火。通過頻繁的點(diǎn)火啟動(dòng)，不斷調(diào)節(jié)火箭飛行的速度和姿態(tài)，以便最終實(shí)現(xiàn)以剛剛好的速度和角速度垂直降落在指定位置。

關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化方面，SpaceX公司使用的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，即通過50%-110%變推力能力，滿足了火箭垂直回收要求，實(shí)現(xiàn)了獵鷹9火箭的重復(fù)使用。

根據(jù)此前報(bào)道，我國民營商業(yè)航天公司星際榮耀自主研發(fā)的焦點(diǎn)一號(hào)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)在立項(xiàng)之初就重點(diǎn)圍繞推力調(diào)節(jié)的功能來進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過幾年攻關(guān)，該發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)突破了推力調(diào)節(jié)技術(shù)，順利完成了多次模擬飛行變推力試車，累計(jì)完成約12000秒，發(fā)動(dòng)機(jī)在50%至115%推力范圍內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定工作。系列試車成功考核了火箭從起飛到著陸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的變推力調(diào)節(jié)過程，焦點(diǎn)一號(hào)已具備執(zhí)行垂直起降飛行試驗(yàn)的全部條件。

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焦點(diǎn)一號(hào)試車現(xiàn)場(chǎng)

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此外，值得一提的是，焦點(diǎn)一號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了公認(rèn)的未來優(yōu)質(zhì)燃料代表——液氧甲烷燃料。雙曲線二號(hào)成功垂直起降回收后，該燃料將大大降低回收火箭維護(hù)檢修成本，甚至可以完全不做處理，就可以很快再次飛行。

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“嚴(yán)苛”控制精度，飛出最佳路線
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在火箭整個(gè)垂直返回的過程中，對(duì)精度控制方面的要求近乎“嚴(yán)苛”。這主要包含了兩個(gè)層面的含義：導(dǎo)航制導(dǎo)精度要求高；姿態(tài)的控制要求高。

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運(yùn)載火箭飛行的軌跡被稱為彈道，也就是火箭在天上飛過的軌跡線。彈道設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)乎火箭姿態(tài)調(diào)節(jié)的能力、燃料消耗的經(jīng)濟(jì)性等。彈道設(shè)計(jì)得好，可能飛得更高，飛得更平穩(wěn)，消耗的燃料更少；設(shè)計(jì)得不好，火箭機(jī)動(dòng)能力、燃料消耗等都可能受到很大影響。

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火箭回收中，要想火箭子級(jí)順利返回，當(dāng)然得避免走彎路。為火箭“導(dǎo)航”，確保它能在剛剛好的時(shí)間、剛剛好的地點(diǎn)，做剛剛好的動(dòng)作，才算得上飛了“最佳路線”。

關(guān)于這方面，星際榮耀專家在此前采訪中透露，研發(fā)過程中團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷過曲折，前期用理論計(jì)算做了一個(gè)控制性的設(shè)計(jì)，進(jìn)行相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，才發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果和前期理論計(jì)算結(jié)果相差很大。對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行完全的分析后，團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了火箭返還的制導(dǎo)控制。針對(duì)此，目前已經(jīng)成功完成大量仿真實(shí)驗(yàn)，未來進(jìn)行回收試驗(yàn)時(shí)，在保證安全的情況下，將采用最優(yōu)的彈道方式。

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雙曲線二號(hào)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/font>

值得注意的是，火箭往上飛時(shí)，是氣動(dòng)整流的外形；往回返的過程中，因?yàn)橛邪l(fā)動(dòng)機(jī)、著陸腿等凸起物，整個(gè)火箭實(shí)際上是非常不規(guī)則的外形，整個(gè)系統(tǒng)特性也隨之發(fā)生了很大變化，而且發(fā)動(dòng)機(jī)一直在工作并向下噴出高速噴流，對(duì)火箭的氣動(dòng)性能影響很大。因此返回控制非常重要。此前，星際榮耀雙曲線二號(hào)驗(yàn)證型火箭完成了一級(jí)主動(dòng)段及返回段飛行控制系統(tǒng)驗(yàn)證工作。

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提到姿態(tài)控制，則繞不開火箭飛行姿態(tài)控制裝置——柵格舵，火箭子級(jí)回收過程中，利用柵格舵進(jìn)行姿態(tài)控制，具有控制效率高、控制品質(zhì)好、可靠經(jīng)濟(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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柵格舵試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

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研制能夠完全重復(fù)使用的柵格舵系統(tǒng)，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)：需要在嚴(yán)酷力熱環(huán)境下，滿足上升飛行過程中自動(dòng)折疊鎖定、返回過程中自動(dòng)展開和擺動(dòng)、回收落地后自動(dòng)折疊鎖定等需求。星際榮耀此前成功進(jìn)行了雙曲線二號(hào)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭柵格舵子系統(tǒng)地面驗(yàn)證試驗(yàn)。

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“體重”輕又要耐緩沖，還不能怕熱
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回收飛行中的火箭子級(jí)如果順利經(jīng)過了前期的種種考驗(yàn)，那么“九九八十一難”的最后一個(gè)難點(diǎn)就是“垂直著陸”飛行?；鸺懼斑€有燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)仍在工作，因此著陸裝置在熱環(huán)境、力學(xué)環(huán)境的表現(xiàn)非常關(guān)鍵。

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這個(gè)過程中，一個(gè)非?？孔V的著陸裝置不可或缺。這些強(qiáng)大的著陸腿既要起到緩沖作用，防止火箭傾倒，還得忍受發(fā)動(dòng)機(jī)噴射的高溫。

火箭子級(jí)著陸前夕瞬間的沖擊力較大，要滿足火箭子級(jí)回收并重復(fù)使用的要求，就需要計(jì)算其尺寸、體重等指標(biāo)，確保緩沖裝置要在保證“身體輕盈”的基礎(chǔ)上，在有限的行程內(nèi)起到良好的緩沖效果。

據(jù)了解，獵鷹9火箭著陸腿采用的是三角支撐機(jī)構(gòu)，因?yàn)檎归_后支撐范圍較大，著陸過程相對(duì)穩(wěn)定，能夠減輕控制壓力，并在多次發(fā)射任務(wù)中得到了充分驗(yàn)證。

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藍(lán)色起源公司的“新格倫”火箭和“新謝潑德”火箭則分別采用了轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)擺式機(jī)構(gòu)和雙轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)擺式機(jī)構(gòu)，外觀類似于平行四邊形。但是鑒于對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高等原因，在實(shí)踐中存在一定程度上的不足。

本著真正成功實(shí)現(xiàn)火箭子級(jí)垂直回收的初心，星際榮耀團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，研發(fā)了符合自身產(chǎn)品的著陸裝置，充分兼顧了著陸腿的“輕量化與可靠性”

落震試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

通過有序開展結(jié)構(gòu)靜力承載試驗(yàn)、機(jī)構(gòu)展開試驗(yàn)、著陸裝置落震試驗(yàn)等，驗(yàn)證了火箭模擬真實(shí)飛行情況下的著陸所有工況，為一子級(jí)火箭的垂直回收試驗(yàn)提供了堅(jiān)實(shí)可靠的保障。

此外，值得注意的是，關(guān)于“先入軌，再做回收”還是“先成功回收，再入軌”的問題，星際榮耀堅(jiān)定地選擇了后者：一切瞄準(zhǔn)最終的回收目標(biāo)去開展工作。因?yàn)橹貜?fù)使用火箭在設(shè)計(jì)原則、總體方案、系統(tǒng)構(gòu)成、核心關(guān)鍵技術(shù)等方面和傳統(tǒng)的一次性火箭有根本性差異，一次性火箭無法通過方案更改變身成重復(fù)使用火箭。因此，瞄準(zhǔn)重復(fù)使用火箭最終方案，在技術(shù)上先突破一子級(jí)重復(fù)使用技術(shù)，然后在重復(fù)使用一子級(jí)上串聯(lián)增加二子級(jí)是最合理、最高效的技術(shù)路徑，可以有效防止火箭總體方案的“翻車”和反復(fù)，正是所謂“難而正確的事”。

蓄勢(shì)待發(fā)

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雙曲線二號(hào)火箭一開始便按照回收的核心思路來做設(shè)計(jì)。三四年的時(shí)間內(nèi)，在其他商業(yè)公司已經(jīng)完成了“入軌優(yōu)先路線”的目標(biāo)時(shí)，他們?nèi)詧?jiān)持對(duì)回收技術(shù)的層層探索和不斷突破，蓄勢(shì)待發(fā)。

星際榮耀透露，在摸索過程中確實(shí)遇到太多坎坷，但是整個(gè)團(tuán)隊(duì)覺得一切都值得，突破回收以后再做入軌是初衷，符合團(tuán)隊(duì)對(duì)于商業(yè)航天邏輯的深度思考，也將支撐大家始終腳踏實(shí)地，更加堅(jiān)定地走向更遠(yuǎn)。

電氣學(xué)徒2

向先進(jìn)技術(shù)學(xué)習(xí)，不斷提示核心競(jìng)爭(zhēng)力。