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)到回收子級并重復(fù)利用的目的。

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SpaceX的獵鷹9號火箭正是目前最具代表性的垂直起降可回收火箭。

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，能實現(xiàn)包括一級發(fā)動機(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，垂直起降回收對地面場地及保障要求低、對運載效率影響小、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)”難度級別之高。

起飛、爬升、分離、動力減速、氣動減速、發(fā)動機(jī)點火、平穩(wěn)垂直落地……這是對火箭垂直回收過程的粗略概括。

事實上，火箭真正的垂直起降回收過程非常復(fù)雜而“兇險”。簡單設(shè)想一下，一支直立的細(xì)長鉛筆被拋出去，經(jīng)歷短暫的飛行過程，最后還得穩(wěn)當(dāng)?shù)胤祷兀灾蓖νΦ淖藨B(tài)及很小的落速高精度豎直降落在指定的地方。

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在這個旅程中，鉛筆簡直是“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。

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

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發(fā)動機(jī)多次點火，推力連續(xù)可變

火箭要實現(xiàn)垂直返回，作為火箭“心臟”的發(fā)動機(jī)就必須具備兩個關(guān)鍵的基本能力：多次啟動；大范圍推力調(diào)節(jié)。以上是實現(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，這是對發(fā)動機(jī)能力的最大考驗。

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在火箭實際垂直回收過程中表現(xiàn)為：發(fā)動機(jī)點火，火箭起飛，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，火箭一級和二級分離；火箭一級在返回過程中再啟動，先做一個減速；高速進(jìn)入大氣層后利用大氣減速；在著陸時發(fā)動機(jī)再點火，繼續(xù)進(jìn)行減速和控制。總而言之，發(fā)動機(jī)要經(jīng)歷2～3次啟動。

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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)動機(jī)總共要經(jīng)歷3-4次點火。通過頻繁的點火啟動，不斷調(diào)節(jié)火箭飛行的速度和姿態(tài)，以便最終實現(xiàn)以剛剛好的速度和角速度垂直降落在指定位置。

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

根據(jù)此前報道，我國民營商業(yè)航天公司星際榮耀自主研發(fā)的焦點一號液氧甲烷發(fā)動機(jī)在立項之初就重點圍繞推力調(diào)節(jié)的功能來進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)過幾年攻關(guān)，該發(fā)動機(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，累計完成約12000秒，發(fā)動機(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)動機(jī)的變推力調(diào)節(jié)過程，焦點一號已具備執(zhí)行垂直起降飛行試驗的全部條件。

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焦點一號試車現(xiàn)場

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此外，值得一提的是，焦點一號發(fā)動機(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。

“嚴(yán)苛”控制精度，飛出最佳路線

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

運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)計得好，可能飛得更高，飛得更平穩(wěn)，消耗的燃料更少；設(shè)計得不好，火箭機(jī)動能力、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間、剛剛好的地點，做剛剛好的動作，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)隊經(jīng)歷過曲折，前期用理論計算做了一個控制性的設(shè)計，進(jìn)行相關(guān)的風(fēng)洞實驗時，才發(fā)現(xiàn)實際結(jié)果和前期理論計算結(jié)果相差很大。對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行完全的分析后，團(tuán)隊重新設(shè)計了火箭返還的制導(dǎo)控制。針對此，目前已經(jīng)成功完成大量仿真實驗，未來進(jìn)行回收試驗時，在保證安全的情況下，將采用最優(yōu)的彈道方式。

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雙曲線二號風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?/font>

值得注意的是，火箭往上飛時，是氣動整流的外形；往回返的過程中，因為有發(fā)動機(jī)、著陸腿等凸起物，整個火箭實際上是非常不規(guī)則的外形，整個系統(tǒng)特性也隨之發(fā)生了很大變化，而且發(fā)動機(jī)一直在工作并向下噴出高速噴流，對火箭的氣動性能影響很大。因此返回控制非常重要。此前，星際榮耀雙曲線二號驗證型火箭完成了一級主動段及返回段飛行控制系統(tǒng)驗證工作。

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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。

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柵格舵試驗現(xiàn)場

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折疊鎖定、返回過程中自動展開和擺動、回收落地后自動折疊鎖定等需求。星際榮耀此前成功進(jìn)行了雙曲線二號可重復(fù)使用運載火箭柵格舵子系統(tǒng)地面驗證試驗。

“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如果順利經(jīng)過了前期的種種考驗，那么“九九八十一難”的最后一個難點就是“垂直著陸”飛行。火箭著陸之前還有燃料，發(fā)動機(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。

這個過程中，一個非常靠譜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)動機(jī)噴射的高溫。

火箭子級著陸前夕瞬間的沖擊力較大，要滿足火箭子級回收并重復(fù)使用的要求，就需要計算其尺寸、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。

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據(jù)了解，獵鷹9火箭著陸腿采用的是三角支撐機(jī)構(gòu)，因為展開后支撐范圍較大，著陸過程相對穩(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)動側(cè)擺式機(jī)構(gòu)和雙轉(zhuǎn)動側(cè)擺式機(jī)構(gòu)，外觀類似于平行四邊形。但是鑒于對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高等原因，在實踐中存在一定程度上的不足。

本著真正成功實現(xiàn)火箭子級垂直回收的初心，星際榮耀團(tuán)隊攻堅克難，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”

落震試驗現(xiàn)場

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

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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。因為重復(fù)使用火箭在設(shè)計原則、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)上先突破一子級重復(fù)使用技術(shù)，然后在重復(fù)使用一子級上串聯(lián)增加二子級是最合理、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”。

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蓄勢待發(fā)

雙曲線二號火箭一開始便按照回收的核心思路來做設(shè)計。三四年的時間內(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，他們?nèi)詧猿謱厥占夹g(shù)的層層探索和不斷突破，蓄勢待發(fā)。

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

電氣學(xué)徒2

向先進(jìn)技術(shù)學(xué)習(xí)，不斷提示核心競爭力。