[科普中国]-从“猎鹰”9号看火箭回收

出品：科普中国

作者：武 振

监制：光明网科普事业部

北京时间5月12日，美国SpaceX公司的猎鹰9号Block5型火箭在肯尼迪航天中心发射升空,搭载“孟加拉国一号”卫星顺利入轨。火箭一级助推器降落在海上平台，成功实现回收。这是猎鹰系列火箭自2010年以来第52次发射,也是第21次成功回收。此次发射的Block5型是猎鹰９号火箭的终极版本，它的成功将是航天史上浓重的一笔，令人期待的大航天时代似乎就将来临。

猎鹰9号发射（图片来源于网络）

火箭回收难在哪？

自1950年第一艘火箭发射以来，可回收载具一直是人类梦寐以求的技术。但时至今日，也只有SpaceX公司实现了真正意义上的回收再利用。这是由于火箭回收的难度远大于发射的难度，真可谓“难于上青天”。

一是姿态控制难。猎鹰系列火箭采用反推垂直下降的回收方式，必须要确保火箭能够垂直地落在足球场大小的场地上，否则一旦着陆角度不对，火箭就会倾覆，引发燃料外泄导致爆炸。想像一下平时玩的丢筷子进瓶子的游戏，成功的概率有多少？何况这是一个长近70米、直径近４米，下降速度达1300米/秒的巨型“筷子”。

二是发动机输出功率控制难。在火箭下降途中，随着燃料的消耗和速度的变化,需要输出不同大小的推力使火箭平稳减速,以确保能够顺利软着陆。这就要求火箭发动机必须可以精确地调节推力，并且具备多次启动功能。

三是着陆缓冲难。即使做到了在着陆前有效减速，也要考虑到重达几十吨的火箭所带来的巨大惯性。要知道，火箭里有大量的精密电子元器件，要确保这些“宝贝”能够再次使用，必须具有良好的缓冲功能，减少对火箭结构的过载冲击。

为啥要搞再回收？

尽管存在各种困难，但各航天大国仍在可回收火箭领域投入大量精力和财力，这是因为它的好处也是显而易见的，一旦掌握了，就将获得巨大的战略优势。

一是大大节约成本。SpaceX的CEO埃隆·马斯克的终极目标是带领一百万人移居火星，而不是带领一百个亿万富翁移居火星。因此，必须要造老百姓坐得起的星际航行载具。之前的火箭都是一次性的，就像“坐一次性民航班机”一样浪费。毕竟，推进剂成本占全部飞行成本不到0.4%，大头在发动机、箭体等。这就意味着如果哪家能够回收火箭再利用，将获得近百倍的利益。

二是军事价值巨大。现代战争中，卫星是决定“制天权”和“制网权”的关键，但由于其脆弱的防护性，使其面临首轮就遭打击的困境。美国人在设想中美战争的《幽灵舰队》一书中，就设想已方的卫星被一个个定点清除，使美军变成了聋子和瞎子。传统的火箭发射，必须要有一两个月的准备期，还要根据时间窗口“看天吃饭”。而对可回收利用的火箭来说，只需要简单地维护就可频繁发射，这将极大地提高快速进入太空的能力。马斯克设想在近期实现24小时内回收火箭的第二次发射，这将意味着未来美军在战时几乎可以获得源源不断的太空支持。此外，火箭和导弹在技术上本来就是一脉相连的。设想一下在战时，弹头在攻击目标后，弹体再返回重新装弹攻击，这种密度估计目前任何一种导弹防御系统都禁受不住。在未来，可回收火箭还可以作为高超声速武器的载体，使其如虎添翼，大大提升作战效率。

三是深空探索需要。依托目前的一次性发射技术，人类也可以进入火星，但是如何回来呢？更不用说以火星为基地进一步挺进深空了。正如马斯克所说：“如果人类希望在未来任意穿梭于各星体之间，可以多次利用的火箭会是必不可少的工具。”

猎鹰9号发射（图片来源于人民日报）

“猎鹰”如何做到的？

火箭回收再利用这件事，为何一家成立于2002的商业航天公司能够拔得头筹呢？SpaceX能够用十多年的时间从无到有，在猎鹰火箭的研发上突飞猛进，离不开政府的大力支持。美国航空航天局（NASA）给人给钱给技术，将极具商业价值的低轨道航天发射领域对其完全放开。可以讲，SpaceX成功背后是美国航天几十年的人才、技术积累，真正地站在巨人的肩膀上前进。

当然，SpaceX公司大胆创新、不墨守成规也是其成功的关键。决定运载火箭性能的最关键因素是发动机，猎鹰系列火箭使用SpaceX公司自研的梅林（Merlin，意译为“灰背隼”）液氧煤油发动机，原型是NASA用于阿波罗登月舱下降段的，但经过改进，发动机效率大为提升，推力可达66吨以上。即使这样，还是不够用，于是猎鹰9号火箭将9个发动机并联在一起进行输出。但这又带来一个新问题，系统越多，故障率越高。为此，猎鹰系列火箭在设计上采用了动力冗余技术，通过发动机状态实时监测系统，一旦发现哪台发动机故障，则对其关机，通过其它发动机的冗余动力仍可确保火箭飞行安全。

为了能够着陆，猎鹰9号的火箭发动机采用针栓式喷注器，相当于将很多的针管绑在一起分别注入燃料，再由各自的喷嘴喷出。与传统液体火箭发动机相比，它调节动力容易、燃烧稳定、成本低廉。但针栓式喷注器对冷却要求很高，之前版本的猎鹰火箭屡屡在这个环节上吃瘪，导致发动机被烧穿。或是迫于无奈或是另辟蹊径，猎鹰9号火箭采用了燃烧室燃气发生器循环和发动机回热冷却相“嫁接”的模式。通过这种怪异的混搭，基本上保证了发动机管用好用。

猎鹰9号火箭发射后，一级火箭分离，在再入大气层时可重新开启三台发动机进行反推减速，并通过火箭顶部的微发动机对火箭姿态进行微调，在接近地面时打开4个类似“蚱蜢腿”样的支撑腿，并再开启一台发动机进一步降速。这样，再结合卫星定位，就基本可确保火箭垂直地降落在回收场地上。

猎鹰9号火箭虽然取得了巨大的成功，但动力不足的问题始终是橫在SpaceX公司面前的一道“埂”。因为基于其现有设计，技术潜力已被挖掘贻尽，这也使得Block5型是其终极型号。下一步，SpaceX有志研究新的大推力发动机，让我们拭目以待。

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