[科普中国]-垂直起降火箭

应用背景

以较低成本进入太空是人类长久以来的梦想。但是目前，作为人类进入空间主要工具的运载火箭均为一次性使用，成本相对高昂。探索和攻关相应的技术，不断降低运载火箭研发、生产和使用成本成为一项重要的工作。实现运载火箭子级的重复使用，是可行的技术途径之一。垂直返回回收技术是实现火箭子级无损回收的一种技术途径，早在 20世纪90年代麦道公司就提出了基于垂直返回回收方案的“德尔它快帆”飞行器。最近Space X公司又对垂直返回回收技术开展研究，并多次通过猎鹰火箭（Falcon 9）开展飞行校验，截至 2015年 4月共进行了6次一子级回收试验 。根据其预先设定的试验目标，这6次试验有3次成功，3次失败。

运载火箭垂直返回弹道设计与传统的上升段弹道设计或者再入弹道设计不同。上升段弹道设计主要需要在考虑满足约束条件的同时尽可能有效提高有效载荷质量，降低发射成本；传统的再入弹道设计则主要依靠稠密大气层内的气动减速，把能量耗散掉的同时，满足约束条件并保证飞行器降落到预定区域。火箭子级垂直返回弹道需要综合考虑上升段弹道以及返回段弹道设计。在满足二者约束的同时尽可能使有效载荷入轨质量最大。此外，由于火箭子级垂直返回的速度远小于再入速度，需要在满足各种约束条件的同时，综合利用发动机制动减速及气动减速，并保证落点精度。1

分类具体而言，火箭子级垂直返回回收包括两种方式，一种是“返回原场”（Return to the lunch site, RTLS）回 收方式，另一种是 “不返回原场”（Not return to the lunch site,NRTLS）回收方式。

“返回原场”回收方式指火箭子级分离后，依靠火箭发动机对其进行减速转弯，最终在原发射场垂直着陆，实现子级无损回收。返回原场方式会使运载火箭的运载能力下降50%左右。

“不返回原场”回收方式指火箭子级分离后，沿惯性弹道进行飞行，在达到一定高度后，开启火箭主发动机进行减速，最终实现子级定点垂直着陆，“不返回原场”方式不对回收场位置进行严格限制，火箭子级在回收飞行段全程都按零攻角飞行。返回原场方式会使运载火箭的运载能力下降15%左右。

相较伞降回收而言，采用垂直返回技术的回收方式技术难度和工程化实现难度大，但是作为一种重要的技术途径，垂直返回的回收技术在航天器重复使用以及行星际着陆等领域具有独特优势，在工程应用能力方面具备一定的可行性 。1

发展历史20 世纪 90 年代，麦·道公司提出了“德尔它快帆”（DC-X/XA）方案。当时，该方案成功中标美国1990 年 8 月提出的“单级入轨火箭技术计划”，该方案采用垂直起降方式实现回收和重复使用，后来由于单级入轨计划的终止，“德尔塔快帆”项目随之终止。在麦·道公司所进行的 12 次 DC-X/XA 飞行试验中，实现了最大飞行高度 3 155m，验证了单级火箭系统垂直起降、快速飞回和简化地面保障技术。“德尔它快帆”为未来可重复使用运载器的研制提供了丰富的技术、设计、制造和操作经验。DC-X/XA 12 次飞行试验对运载火箭垂直着陆技术进行了充分验证。

1993年，"德尔它快帆"试验火箭（DC-X），从新墨西哥州军用白沙导弹发射场点火起飞，向上飞至150米，然后像一架直升机一样，减速悬在空中。火箭开始尾部朝下着陆的时候，也采用了装有盘状脚的伸缩腿，它利用4个小发动机所喷发出来的火焰减速以达到平稳着陆的目的。

在 K-1 火箭之后，美国的 SpaceX 公司也开展了“猎鹰”火箭的可重复使用技术研究。2011 年 9 月，SpaceX 公司对外宣布了“猎鹰-9”火箭的可重复使用版（猎鹰-9R），完全可重复使用“猎鹰-9”火箭包括重复使用的一级、二级，第一级由亚轨道垂直返回发射场，第二级在轨道分离后，也是垂直返回发射场，两级都是垂直下落，最后靠 4 个支架支撑着陆。支架在飞行期间可被折叠起来，在回收过程中，支架展开，支持回收部件安全垂直降落。

为了研发完全可重复使用“猎鹰-9”火箭，SpaceX公司实施了“蚱蜢”计划验证垂直返回技术，并结合火箭发射任务，开展了一子级陆上和海上软着陆试验。各项试验取得重要进展，验证了垂直返回技术的可行性。

北京时间2015年12月22日，Space X公司的"猎鹰"9号发生成功，并在10分钟后完成了一级火箭的陆地回收。

2016年1月18日,美国太空探索技术公司（Space X）用"猎鹰-9"运载火箭成功将一颗海洋观测卫星送入轨道,但在随后的第一级火箭海上回收试验中,没能延续近1个月前陆地回收试验成功的好运,以失败告终。

2016年4月16日，"猎鹰-9"运载火箭完成国际空间站补给任务后，在发射场地以东300千米的专用海上回收平台上平稳着陆。2