火箭垂直回收,回收火箭

威尼斯官方网站 1SpaceX将尝试把猎鹰9号的一级火箭垂直着陆到大西洋上的一艘驳船上。图片来源:reddit.com

蓝色起源公司公布了新谢泼德飞行器第二次试飞的视频。这次试飞实现了从距地面100千米以上的太空垂直着陆回收火箭的壮举。视频来源:蓝色起源

1月10日,太空探索技术公司(SpaceX)将进行CRS-5任务的发射,使用龙式飞船执行例行的国际空间站货运任务。不过,对于绝大多数航天专家和爱好者来说,这次发射任务更值得关注的是猎鹰9号火箭第一级的海上回收试验,因为这是人类第一次真正地火箭回收试验。

垂直起降复用运载器,这个技术大坑曾经“坑杀”过无数航天前辈,连美国研制的“三角快帆”最终也半途而废。然而,这一技术时下已经成为热门,太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰九号火箭(Falcon
9),和蓝色起源公司(Blue Origin)的新谢泼德飞行器(New
Shepard),都是典型的垂直起降复用运载器。

无论有没有关注过航天,任何人对航天发射的高昂费用恐怕都有所耳闻。SpaceX以发射价格低廉而闻名,可是上官网查查它的发射报价,主力猎鹰9号火箭一次发射也要5650万美元,折算人民币就是3.5亿元。居高不下的航天发射成本,制约着航天工业的发展。

根据蓝色起源公司的消息,11月23日新谢泼德成功实现了人类历史上第一次越过卡门线(即距离地面100千米、标志着太空起点的分界线)的垂直起降。

那么有没有办法降低成本呢?其实一枚火箭的成本,燃料仅占很小一部分,火箭的导航制导控制、储箱和发动机等部分,才是绝对的大头。如果一枚火箭可以重复使用,就可以大大降低成本。工程师提出了可重复使用航天器的概念,试图从根本上降低成本。只是谁也不曾想到,这条道路竟然如此艰难和漫长。

新谢泼德试飞

说起蓝色起源公司,它的老板杰夫·贝索斯(Jeff
Bezos)是无法回避的主角。贝索斯试图从太空亚轨道旅游出发,最终实现廉价往返太空的目标。新谢泼德飞行器就是贝索斯实现梦想的工具,它将首先服务于亚轨道太空旅游。

蓝色起源公司重新集中起“三角快帆”DC-X的研究团队,试验飞行器的外形和设计也与DC-X相当相似。2006年蓝色起源公司开始“戈达德”(Goddard)原型飞行器的飞行试验,成功飞到了87米高度并垂直着陆。第二具试验飞行器被称为PM2,进行了两次试飞,其中2011年8月的第二次试飞中,飞行器飞到14000米高空,速度也达到了1.2马赫。虽然这次试验中飞行器由于攻角超限坠毁,但它的飞行包线不仅远远超过了DC-X的试验记录,也是今天SpaceX的两只“蚱蜢”(Grasshopper)试验飞行器从未达到的高度。

继承了“三角快帆”的基础,又有“戈达德”的试飞经验,虽然千呼万唤始出来犹抱琵琶半遮面,但新谢泼德的试飞要顺利得多。新谢泼德是一种单级复用运载器,使用了50吨级推力的BE-3液氧液氢发动机,这在商业航天公司中别具一格。一般来说,液氧液氢燃料较贵,而发动机和储箱要付出更多的研制生产成本,哪怕复用也不太适合斤斤计较的商业航天公司,但新谢泼德打破了这一传统。究其原因,新谢泼德除了用于亚轨道旅游,还是未来蓝色起源大型运载火箭第二级的试验器。

对比传统一次性火箭,新谢泼德推进段增加了环形和鳍形稳定翼,多个减速板和液压系统驱动的尾翼,尤其是尾翼可在约4马赫的高速下工作,保证下落过程中的稳定性。

2015年4月29日,新谢泼德进行了首次试飞,飞行器达到了93.5千米的高空,随后返回舱分离并成功着陆,但由于液压系统故障,推进段的垂直着陆失败。第一次飞行验证了新谢泼德总体设计的可行性,从实际飞行试验看,新谢泼德的设计并没有明显问题,成功已经指日可待。

2015年11月23日的第二次试飞中,新谢泼德成功飞到了100.5千米的高空,推进段分离后受控下降并精确降落在指定位置,完成了人类历史上第一次亚轨道垂直起降试验。相比之下,SpaceX的“蚱蜢”垂直起降试验飞行器飞行高度低到可以忽略,高调宣传的猎鹰九号第一级海上着陆试验则屡战屡败,在试验进度和外界观感上都落了下风。

威尼斯官方网站 2从太空返回的新谢泼德火箭运载器,稳稳地垂直降落在预定地点。图片来源:蓝色起源

早期火箭回收方案

人类进入航天时代之初,激情澎湃的工程师提出了一个个今天看起来也极为震撼的方案。美国通用动力公司1962年的Nexus火箭,高122米,直径50米,起飞质量约2.4万吨,可将超过1000吨的载荷送入近地轨道。它采用的还是单级入轨的设计。Nexus火箭将载荷送入轨道后,火箭整体再入大气层并落向大海,还使用反冲火箭降低溅落时的冲击力。火箭加注燃料后,即可继续投入发射。

从某种意义上说,Nexus火箭是今天猎鹰9号第一级再入海上回收的开山鼻祖,即使是50年前的设计,无论运输能力之强还是概念的先进性,都要比猎鹰9号更为高端大气上档次!唯一的问题在于,它的研制难度实在太高,以至于到现在也不可能做得出来,只有谷歌的同名手机大行于世。

20世纪90年代,航天飞机之父马科斯·穆勒参与创建了基斯特勒宇航公司(Kistler)。他们的K-1火箭开创性地提出第一级低速分离,自行飞回发射场,以及气囊辅助降落伞着陆的可重复使用方案。K-1火箭也曾和SpaceX的猎鹰9号火箭一起入选美国航天局的商业轨道运输服务(COTS),但由于进度超标等一系列因素,最终被轨道科学公司替换了。此后,基斯特勒宇航公司资金链断裂,K-1火箭也胎死腹中。

威尼斯官方网站 3航天飞机之父马科斯·穆勒曾参与创建基斯特勒宇航公司,提出了可以回收的K-1火箭。图片来源:NASA

乔治·穆勒是上一个时代的英雄,埃隆•马斯克无疑是当代的英杰。马斯克认为,星际殖民是人类文明未来存续的关键,而廉价进入太空的能力,是航天大发展的根基。他认为只有重复使用的运载工具,才是人类航天的未来。他曾以自己的猎鹰9号火箭举例,火箭成本5000万美元,但燃料费用仅有20万美元。通过重复使用,理论上可以将成本降低为现在的1%。他更放出豪言,如果火箭发射报价不能降低为现在的1/20,他的努力就算失败了。

说出这句话之前,马斯克的SpaceX就在追求研制可重复使用运载工具。猎鹰火箭设计之初,就为回收利用的降落伞预留了位置,而猎鹰9号火箭的前几次发射,也积极进行了降落伞回收的试验。不过遗憾的是,火箭第一级再入后便失去联系。分析认为,无控再入大气层时过载很大,还未减速降低到降落伞开伞的速度和高度,火箭第一级就已经被撕碎解体了。SpaceX后来决定,为猎鹰9号火箭第一级增加冷气喷射的姿态控制系统维持再入姿态,火箭第一级再次点火飞回发射场。不过马斯克也没有照搬穆勒的设计,而是提出一个新的方法:火箭第一级将受控垂直降落。

难分高下

伊隆·马斯克(Elon
Musk)和贝索斯是美国商业航天的两巨头,他们的对决当然会是人们津津乐道的话题。不过有趣的是,实际上,这种对决并不成立。马斯克的SpaceX占据先机,已经拿到了轨道补给合同,即将拿到载人运输合同,而贝索斯的蓝色起源公司到现在仍在亚轨道徘徊,轨道发射还有待时日。时下热门的垂直起降运载器研制上,两巨头也尚未正面冲突。

贝索斯的蓝色起源公司以新谢泼德先拔头筹,率先实现了进入太空的垂直起降,这是航天技术发展的一个里程碑,但我们看蓝色起源公司发布的数据,就会发现它的成色并不太足:新谢泼德固然突破了100千米高度的卡门线,但最高飞行速度仅有3.72马赫,甚至很难说是高超音速。

要说新谢泼德的亮点,主要在于它是第一个到达太空又垂直着陆返回地面的飞行器。“蚱蜢”等试验飞行器多次成功降落,但飞行高度和速度都太低。猎鹰九号的第一级分离速度约6到7马赫,却从未成功降落。

新谢泼德飞行器体积重量都比猎鹰九号第一级小得多,甚至小于“蚱蜢”试验飞行器。从某种意义上说,新谢泼德飞行器可以看作是加了更多燃料、飞得速度更快高度更高的“蚱蜢“。它的飞行过程要比猎鹰九号第一级高速再入加上定点着陆简单一些,但突破就是突破,新谢泼德飞行器已经载入史册威尼斯官方网站,。

贝索斯创办的蓝色起源公司,研制了新谢泼德飞行器,着眼于亚轨道旅游业务,而马斯克创办的SpaceX,则致力于猎鹰九号火箭第一级的重复使用。马斯克希望通过复用降低猎鹰九号火箭的发射成本,并最终实现猎鹰九号火箭的重复使用,将发射成本降低到前所未有的水平。猎鹰九号火箭第一级的回收试验屡经坎坷,先是花费很大精力验证解决了高速下受控完整再入大气层的问题,随后卡在着陆上屡战屡败。

SpaceX的猎鹰九号火箭第一级,在2015年4月15日尝试在海上平台进行垂直着陆回收。这是猎鹰九号火箭最接近成功的一次海上平台着陆实验。视频来源:SpaceX

对此我们应该看到,猎鹰九号火箭首先要满足一次性运载火箭的需求,因此第一级存在长径比大、剩余推进剂少、控制手段少等问题,成功着陆的难度要更大一些。同样的,猎鹰九号火箭第一级能够突破着陆甚至回收复用的话,无论在技术上还是对航天工业的影响上,都是新谢泼德飞行器望尘莫及的

新谢泼德飞行器抢先完成了成功着陆,在进度已经毫无疑义地压过了猎鹰九号一头。这对高调的马斯克来说,不能不说是个遗憾。连他发的祝贺推文,都刻意强调了轨道和亚轨道飞行的区别,显得酸味十足。(编辑:Steed)

垂直起降

垂直起降(VTVL)航天器从来不是一个新鲜的设计,美国人很早就在探讨这个概念。可惜,这个大坑坑杀了无数前仆后继的航天英豪。

马斯克的“蚱蜢”和猎鹰9号返回试验器之前,最著名的垂直起降航天器当属麦道公司的三角快帆(DC-X)试验飞行器。DC-X并不打算进行轨道飞行,而是用于验证垂直起飞和降落的技术。垂直起飞是运载火箭的主流,但垂直降落还没人实现。DC-X试验飞行器成功进行了多次试飞,验证了飞行和垂直降落的技术,飞行时间从59秒逐渐增加到136秒,最高高度达到2500米——这是SpaceX的“蚱蜢”飞行器至今没能达到的记录。

尽管DC-X及后续的DC-XA试验经历过两次飞行器坠地事故,但总的来说,三角快帆系列实验相当成功,以几千万美元的经费进行了垂直起降的验证,获得了大量的技术经验。美国航天工业的技术积累,很大程度上就是DC-X这类验证项目支撑起来的。

威尼斯官方网站 4麦道公司的DC-X试验成功进行了垂直起降的验证,但这种飞行器并没有打算进行轨道飞行。图片来源:NASA

进入21世纪后,很多新兴航天公司对垂直起降技术大感兴趣。作为其中的佼佼者,蓝色起源公司招揽了部分当年在麦道公司参与DC-X项目的人员,进行New
Shepard垂直起降航天器的研制。它的缩比验证飞行器在第二次试验中飞到14000米高空,并达到1.4马赫的速度。不过由于在高速飞行中失控,试验飞行器坠毁,此后再无下文。

与失败的前辈们相比,SpaceX最难能可贵的就是务实和坚持。他们研制“蚱蜢”垂直起降试验飞行器,为火箭定点垂直着陆进行试验。后来,该公司又改装了一个猎鹰9号火箭的第一级(F9R)进行垂直起降试验,计划飞到更高的高度和速度。与此同时,SpaceX还在进行猎鹰9号火箭第一级完整再入大气层和着陆试验,计划实现火箭第一级再入并飞回发射场。他们不仅要进行重复使用,还要为更遥远的快速周转打下基础。

回收第一级

2013年9月29日,猎鹰9号火箭第一级首次尝试受控再入返回。这次飞行中第一级火箭成功完成了第二次点火减速、受控再入和第三次点火,但点火后箭体滚转速度过快,说明姿态控制系统能力有所不足。火箭第三次点火成功后很快关机,箭体以45米/秒的速度摔坏了,不过这次成功足以让人大喜过望。

值得一提的是,猎鹰9号火箭第一级的第二次点火是高空高超音速下进行的,这对火星探测也有很大的意义。由于火星大气过稀薄减速慢,现有的亚音速降落伞只能在低海拔地区使用,要降落到高海拔地区需要难度极大的超音速降落伞或是高空火箭反推技术。SpaceX进行的世界首次高空高超音速下的点火,正是美国航天局梦寐以求但暂时没有预算进行研制的技术。

2014年4月22日的CRS-3货运任务中,猎鹰9号火箭第一级进行了第二次受控再入。箭体加上4只着陆腿后,火箭第一级姿态得到了很好的控制,海面上方的第三次点火成功将下落速度降到很低,第一级落水后还发送了8秒的信号,证明火箭第一级成功实现软落水。可惜当时海上风浪很大,箭体最终还是破碎了。

2014年4月22日,猎鹰9号一级火箭尝试在水面软落水成功。视频来源:SpaceX

受此鼓舞,SpaceX决定再次进行受控再入试验,也就是此次即将进行的海上平台降落试验。这将为未来的飞回陆上发射场着陆奠定基础。

海上定点降落,主要难度在于驳船长宽只有300英尺×100英尺,而火箭第一级着陆腿展开后就有70英尺,加上驳船无法固定,精度达到10米以内精确“命中靶心”十分困难。不过,这次试验第一级箭体综合使用了反作用力控制系统、栅格翼气动控制装置、GPS定位系统和着陆雷达等多种手段,保证10米级别的制导降落精度并不太难。况且,启动主发动机减速和垂直降落,更是“蚱蜢”和F9R飞行器曾多次试验过的内容。总的说来,这次试验的难度要比前两次试验小一些。但SpaceX的CEO马斯克仍然谨慎表示,试验最多只有50%的成功几率。

猎鹰9号第一级这次试验将是人类现役运载火箭的第一次回收试验,也是运载火箭可重复使用发展史的上一块重要的里程碑。如果成功的话,SpaceX距离火箭第一级的重复使用就将只有一步之遥。我们期待SpaceX能获得一枚完整的火箭第一级,更期待他们能在不远的将来实现火箭的重复使用,从而大幅度降低火箭发射费用!(编辑:Steed)

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