运载火箭如何实现自主返回？
北京时间2015年1月6日，SpaceX公司在卡纳维拉尔角的空军基地进行一次前无古人的发射任务，令人遗憾的是“猎鹰9号”火箭在进入倒计时1分钟内被紧急中止，原因在于火箭上面级推力矢量装置发生了故障，第二次发射日期为当月9日。
SpaceX公司“猎鹰9号”火箭取消了6日的发射 SpaceX公司“猎鹰9号”火箭取消了6日的发射 “猎鹰9号”火箭其实非常普通，但SpaceX公司赋予了它不走寻常路的特点，这次发射验证了此火箭的可重复使用性能，第一级发动机在完成工作后会自主返回，最终垂直降落在位于大西洋预定海域的海上移动平台上。
海上移动平台长度大约为90米，宽度为50米 何为可重复使用火箭？ 可重复使用火箭属于能够被多次使用的航天运载器，在这个家族中除了NASA的航天飞机能够被重复使用外，其余的运载工具都无法实现被再次利用。传统的多级火箭基本属于一次性使用产品，从第一级到上面级，完成使命后就被抛弃了，分离后，发动机也随之损失。为了降低航天发射的费用，美国与前苏联都开启过火箭重复使用的计划，苏联在能源号火箭的研制过程中曾提出将RD-0120发动机进行重复使用验证，但收效甚微。
130吨运力的SLS火箭在可重复使用方面并没有“猎鹰9号”那般前卫 美国航天机构在航天飞机固体助推器上实现了重复使用，通过一系列的起爆分离装置让助推器与主体分离，然后开伞溅落。这种方式虽然在一定程度上降低了费用，但可重复使用性仍然不高，助推器的外壳也会在溅落过程中受海面冲击而变形。需要注意的是，航天飞机的运行成本较大，已经背离了当初对可重复使用概念设想，因此研发新一代可重复使用的航天运载器成了降低入轨费用的最佳途径。
SpaceX公司测试灰背隼-1D发动机 火箭实现自主返回的技术难点 火箭的可重复使用性一般从两个方面入手，第一个是重复使用发动机；第二个是部分结构或整体可重复使用。早期火箭设计之所以为一次性使用，是因为重复使用的经济性太差，还不如一次性使用划算，而且重复使用的技术难度仍然不小。进入21世纪后，火箭发动机技术逐渐成熟，于是SpaceX公司在2012年进行了“蚱蜢”火箭的验证性试飞，第一次试飞高度仅为1.8米，在空中停留了3秒，证明了火箭垂直降落的可能性。在之后的一年多的时间内，SpaceX公司陆续进行了多次试飞，高度逐渐提升到700多米，并展示出箭体对横风的控制能力，说明SpaceX公司掌握了火箭自主降落的状态控制技术。随后我们看到了SpaceX公司设计的着陆支架，并安装在“猎鹰9号”火箭第一级发动机围壳周围。从SpaceX公司的对可重复火箭的发展历程上看，实现发动机及其部分结构的可重复使用是完全可行的。
落在山坡上的火箭发动机，已经面目全非 SpaceX公司通过“蚱蜢”火箭累计了火箭自主降落技术，其技术难点主要集中这几个方面： 1. 拥有成熟且先进的发动机技术 可重复使用火箭在返回级降落时需要发动机提供“随叫随到”的推力服务，返回过程的程序飞行需要发动机多次开机、关机，停启性能必须满足设计要求，发动机工况也要维持在更高的水平上。尤其是当前发射场基本都建在海岸附近，高盐、高湿环境对发动机工况的维持其实是不利的，各部件在满足高速运转时也要对抗环境的不利因素。 值得一提的是，可重复使用火箭的返回级发动机还需要保持较高的减损控制率，否则即便返回级安全抵达地面也无法在短时间内投入下次发射，甚至需要进行大修才能满足发射的要求，这也违背了可重复使用的初衷。同时还要有一套健康与故障诊断系统来监控发动机的状态，从而判断返回后的发动机能否投入下次发射。 “猎鹰9号”上使用的灰背隼-1D发动机被认为是史上最优秀的液体火箭发动机之一，海平面推力为55吨左右，推比达到150，该发动机技术较为成熟，能够为“猎鹰9号”第一级返回提供较高的安全性和可靠性。灰背隼-1D比此前使用灰背隼-1C型号在推力表现上更强悍一些，单台推力提升20吨以上，推比增加了三分之一，灰背隼-1D在美国德克萨斯州McGregor中心完成了持续点火测试，并获得进入商业发射的资格。
溅落在海面的航天飞机固体助推器 2. 先进的控制与导航技术 “猎鹰9号”第一级大约在发射后3分钟完成工作，并与第二级分离，进入自主降落程序。从中可以看出返回级的工作初始高度一般都较高，至少在大气上层，而且初始速度很大，达到亚轨道飞行的速度值。箭体在返回过程中会经历短时间的飞行环境剧变，这给控制与导航增加了难度，比如返回级分离后的惯性制导系统加速度计需要快速计算，并在气动控制较弱的环境下对箭体姿态进行调整，提供高精度的飞行状态初始信息。如果是完全可重复使用的返回级，再进入大气层时就需要精度更高的轨道修正，确保最后能通过无动力滑翔着陆。 当返回级进入数千米的高度后，箭体上搭载的雷达高度表开始发挥主要作用，为箭体的状态控制提供实时且连续的信号，同时配合激光测距仪的工作，最终返回火箭能够准确找到降落地点，降落在长度大约为90米，宽度为50米的海上移动驳船平台上。
“蚱蜢”火箭验证了火箭自主降落的可行性 3. 减震性能极佳的着陆支撑装置 可重复使用火箭使用的返回着陆装置主要为气囊式缓冲和着陆支架减震模式，这两者在行星际探测器上比较常见，NASA的两辆火星车都使用了气囊式缓冲着陆，着陆支架减震更是一抓就有一大把，凤凰号号称在着陆支架上发现了液态水滴状物质，当时，科学家推测是反推发动机将冻土中的冰水物质加热，最后附着在着陆支架上。
“猎鹰9号”着陆装置特写 “猎鹰9号”上使用了可收放的支撑腿作为着陆装置，当然这仅限于像“猎鹰9号”这样的小型返回级，如果是质量更大的返回级，那支撑腿着陆方式无法实现足够的吸能效果。从目前着陆装置的研究来看，液压式减震缓冲装置较为可行，能够实现多次使用，其阻尼系统在多次缓冲后仍然不会受到太大的影响。同时，返回级箭体还可以增加着陆支撑点的数量，达到更好的稳定性能。
大规模开发近地轨道的前提是降低入轨费用 火箭自主返回有何意义？ SpaceX 公司的“猎鹰9号”是一种能够实现第一级发动机自主返回的火箭，该公司的目的就是使入轨费用进一步降低。当前，“猎鹰9号”的发射费用在5000万美元左右，如果使用第一级自主返回，那么费用则低于这个数字，假如第一级和上面级全部返回，那么发射单价将更低。按照SpaceX公司对猎鹰家族的计划表，“重型猎鹰”也将设计成可重复使用，届时，商业航天领域将迎来新一轮的洗牌。入轨费用降低后，各种近地轨道业务也会如雨后春笋般涌出，在轨道上建造一个工厂、将月球矿产带回地球、开拓火星航线等等都不再是奢望。 |
