[科普中国]-重复使用运载火箭

背景

航天技术的成就给人类带来极大的利益,但是高昂的发射费用使人们望而却步,阻碍了人类航天活动的快速发展,降低发射费用——降低进入太空的费用一直是人们的期望。20世纪70年代开始提出研制重复使用运载器(reusablelaunchvehicle,RLV)的计划,其目标是通过重复使用技术来降低发射费用,如英国的HOTOL、德国的桑格尔等。20世纪80年代美国研制成航天飞机,但航天飞机的实际结果正好与预期的相反,美国航天飞机在技术上虽然获得了重大的突破,但在经济运作上没有达到预期目标。单位有效载荷重量的发射价格反而超过常规一次使用的运载火箭。其主要问题是航天飞机大量使用新技术,使发射操作过于复杂、助推器和防热结构没有达到预期的重复使用率,以及载人载货混合等一系列问题,结果使发射费用大幅上升。美国在吸取研制航天飞机教训的基础上,试图用单级入轨方式的重复使用运载器来解决航天飞机存在的问题,他们认为单级入轨的重复使用运载器操作可以象飞机一样简单,自由起飞降落。3

随着航天活动的开展,人们不仅希望能利用火箭把卫星、飞船等有效载荷送入太空,而且希望能将其某些关键部件、关键设备、实验结果从太空返回到地面。航天飞机的问世给了人们重复使用运载火箭的启发,运载火箭技术的发展也使得研制重复使用的运载火箭成为可能,商业发射服务的低成本要求也使得重复使用运载火箭的需要越来越迫切。因此,当前世界各主要航天国家都积极地投入到重复使用运载火箭的研究和验证工作中。4

除了航天飞机外，目前所有的航天运载器都是以运载火箭为代表的一次性使用运载器，若运载火箭能像航天飞机一样实现可重复使用，通过控制可重复使用的关键技术，势必会降低火箭发射的成本。因此运载火箭的可重复使用技术目前成为国际航天重点研究方向之一。美国基斯特勒宇航公司（Kistler）的K-1、空间探索技术公司（SpaceX）的Falcon9火箭先后开始研制基于多级入轨的完全可重复使用运载火箭。5

分类根据不同的分类方法可以划分出很多类型,按重复使用程度可分为部分重复使用和完全重复使用,按入轨级数可以分为单级入轨(SSTO)和两级入轨(TSTO),按动力类型分为火箭动力和吸气式组合动力,按起降模式可分为垂直起降、水平起降和垂直起飞/水平降落,按外形可分为带翼构型(含翼身融合体、升力体、乘波体)和火箭构型.2

关键技术**（1）精确返回飞行与安全着陆控制技术**

RLV一二级分离后,一子级实施返回着陆飞行,经历从亚轨道高度逐渐下降到地面的过程,飞行环境复杂且存在较多随机性的扰动因素.在此过程中,发动机多次工作,使用推力矢量控制(TVC)、RCS、气动栅格舵面等多种控制机构,克服各种内外部干扰,进行姿态、位置、减速机动控制,精确返回并安全着陆至指定着陆场.为达到精确返回、安全着陆目标,必须对运载器自身特性、飞行环境与扰动进行精确数学描述,进行多轮GNC控制算法仿真和原理性飞行试验,实现控制算法和执行机构之间的优化匹配.精确返回飞行与安全着陆控制技术可以转化应用于现役火箭残骸飞行控制,解决落区安全问题;或者应用于航天器地外天体定点软着陆.NASA喷气推进实验室研究了一套燃料优化转移制导算法(G-FOLD),为RLV返回着陆、月球/火星定点软着陆提供技术储备.我国在探月工程嫦娥三号任务中成功实施了月面软着陆,初步掌握了控制方法.RLV返回着陆还涉及轨迹最优规划问题,主要研究RCS系统何时工作及持续时间、发动机工作时间和推力大小、不同飞行阶段分段控制时如何确定每段起点与终点的速度与位置约束,以及栅格舵和着陆缓冲机构打开时间的确定等.轨迹优化的目的是使推进剂消耗最少,同时减弱气动加热影响,并保证实现高精度着陆.在多种约束条件下,轨迹最优规划采用传统的理论和方法会遇到无法收敛或者收敛到一个次优解的问题.SpaceX公司GNC首席工程师LarsBlackmore和德克萨斯大学Acikmese[30]提出了一种无损凸优化理论,具有快速收敛、对初值不敏感、所得解即为全局最优解等优点.Masten公司的Xombie飞行器在垂直返回制导控制上采用无损凸优化方面的研究成果,取得了NASA发起的“月球着陆器挑战计划”大奖赛的第一名.SpaceX公司未公开一子级回收相关技术细节,据推测可能也使用了无损凸优化的研究成果.2

（2）变推力可重复使用发动机技术

实现RLV返回着陆要求发动机具备多次启动能力;同时返回过程中贮箱推进剂剩余量不足10%,贮箱压力降低,发动机点火启动条件(入口压力、温度条件)也偏离正常范围,要求发动机必须具备在宽入口条件下的点火启动能力.在着陆段,要求通过发动机推力调节,使速度降低到着陆所允许的条件.发动机大范围变推力需要通过多个调节元件来实现,调节控制规律复杂,同时喷注器、再生冷却身部、涡轮泵等关键组件也要具备相应条件下可靠工作的能力,需要开展大量研究、试验工作.另外,传统液体火箭发动机均为一次性使用,无需考虑重复使用相关的健康监测与剩余寿命评估问题.而垂直起降提出的重复使用技术要求,需要开展发动机健康监测与剩余寿命评估技术,涉及到发动机数据采集处理、故障诊断与控制、智能减损和寿命评估等相关技术.例如蓝源公司新谢帕德号火箭助推级采用了50吨推力的BE-3液氢液氧发动机,该发动机能够在18%~98%范围内进行连续推力调节,并具备多次重复使用能力.该公司正在研制性能更优异的250吨级推力的BE-4发动机,采用分级燃烧、液氧甲烷推进剂,已经进行热试车试验.2

（3）高可靠着陆缓冲机构技术

在火箭回收过程中,必须使用高可靠的着陆缓冲机构减缓着陆瞬间冲击过载,使箭体平稳着陆.着陆缓冲机构要有较好的强度和缓冲功能以及对倾斜姿态、残余速度的适应能力,从而保证着陆的稳定性.由于着陆支架靠近火箭发动机,还需具有承受反侵热流的热防护能力.着陆缓冲机构采用支腿式软着陆机构,具有可收放、可重复使用、缓冲效率高、着陆稳定性好、占用空间少等优点.目前地外行星探测器软着陆探测时广泛采用支腿式探测器,其中最为关键的吸收着陆冲击载荷的缓冲器技术已得到工程验证.RLV回收所使用的着陆缓冲机构需要承受箭体几吨甚至十几吨的着陆重量,技术难度远远超过几百公斤的探测器所采用的着陆缓冲机构.2

（4）返场快速检测与维护技术

RLV回收后只需经过简单维修和加注燃料就能再次使用是降低成本、提高快速响应能力的关键.返场后需要在短时间内对箭体状态进行检测分析与维修,但传统手段主要通过拆卸箭上产品进行逐个检测,出现故障主要通过依靠人力进行故障分析定位,且通常为了复现问题需要做大量的重复试验,对发射周期与成本造成较大影响.为了缩短发射周期和降低成本,RLV的返回复测需要按快速、智能、高效的原则,采用无拆卸快速检测与维护技术.通过结合箭上专家系统快速复测,对运载器的全箭健康状态和预期寿命进行自动评估分析,并对出现故障或寿命预期较低的部件进行及时维修或更换,在短期内给出箭体可再次发射的结论.箭上各系统在设计中需要融入健康管理的理念,统筹设计.2

发展特点(1)可重复使用运载火箭是航天运输发展的重要方向.经过半个多世纪的发展,运载火箭的功能特点、运载能力、成本效益、技术途径、研发模式等已完成了多次跃升与革新,经历了由进入空间向天地往返、由高污染向无污染、由高成本向低成本、由一次性使用向可重复使用、由政府研发向企业研发的转变.虽然传统一次性运载火箭在功能性、安全性和可靠性等方面基本能满足目前发射任务的需求,但随着航天运输技术要求日益复杂、市场竞争日益激烈、太空探索任务的拓展以及商业发射任务的剧增,对发射成本、发射周期、机动性、可靠性及运载能力都提出新的要求,发展响应速度更快、成本更低、更安全可靠的RLV成为必然选择.2

(2)可重复使用运载火箭研究难度高、风险大.与一次性火箭相比,RLV的技术难度要大得多,涉及气动、热防护、动力和导航制导与控制(GNC)等方面的关键技术,且成本高,例如NASP项目因吸气式动力技术难以克服,最终在研制八年、消耗数十亿经费的情况下中止.几十年来,RLV项目多达上百个,发展道路跌宕起伏,从NASP,X-33,DC-X,RBS到XS-1,随着发展目标不断调整,各国更加认识到,发展目标和方案必须与关键技术的发展水平相适应,目标制定得过高、技术指标过于先进就会增加关键技术的难度,同时难以降低成本、提高可靠性,并且直接影响目标的可实现性,增加了研制风险.2

(3)市场需求和技术创新共同驱动可重复使用运载火箭发展.快速响应、宽适应性、经济性是航天运输系统追求的主要目标.运载火箭技术经过几十年的发展,逐渐成熟并趋向于产业化发展,航天动力、电子元器件、新材料、先进制造工艺等多个领域获得突破,技术创新使运载火箭能够像飞机返回发射场(航天港)一样往返空间,并在加注燃料和简单维护后再次发射成为可能.另外,为构建和维持体系化稳定运行的航天系统,需要降低进入空间的成本,将一次性火箭发射单位载荷价格由目前的6000美元/公斤降到2000美元/公斤以下,以“轨道革命”的形式促进发射需求呈指数级增长.这种大幅度降低入轨价格的运载器是一次性火箭无法做到的,必须采用RLV技术.因此,RLV的技术发展是由航天技术创新的内在要求、用户与市场的外部需求共同驱动的.2

国外发展现状实现运载火箭重复使用技术从总体上讲,可分为部分重复使用和完全重复使用两大类,完全重复使用技术又包括单级入轨和多级入轨技术。当前国外正在积极发展的部分重复使用技术主要包括采用降落伞减速装置(或反推火箭)和带翼飞回式结构回收火箭的关键部件。这方面的典型型号有美国的航天飞机及先进运载系统(AdvancedLaunchSystem-ALS)。航天飞机最初设想是想通过部分重复使用技术来大幅度降低运输成本,但实际上这一目的远远没有达到,主要原因是航天飞机规模过大、结构过于复杂、维修量过大、发射操作不够灵活、飞行次数与发射频率太低等,从而造成很高的操作费用。尽管如此,美国航天飞机第1次采用升力式返回和使用弹道式气动减速装置回收了固体火箭助推器(SolidRocketBooster-SRB),为运载火箭的重复使用开创了先例。美国通用动力公司基本飞行器ALS由一个组合式芯级飞行器和一个助推器组成。ALS全部采用液氢/液氧发动机,助推器有7个发动机,芯级有3个发动机,可以运送54468kg载荷到达低地球轨道。该火箭可以通过安放在助推器回收舱内的回收系统回收7个发动机以供重新使用。ALS只有助推器回收舱能够重复使用,其它部分及芯级仍是一次性使用的。部分重复使用的运载火箭虽然能够降低发射成本,但终归有限,因此人们一直希望能发展一种可完全重复使用的运载火箭,来进一步降低发射成本。随着结构、材料、工艺、发动机和电子技术的进步,这个设想实现的可能性越来越大了。4

完全重复使用的运载火箭不仅可以通过完全重复使用技术来降低运载火箭的硬件成本,而且还可以大大简化地面操作与设备,以减少地面操作费用,提高发射频率,因而它是比较理想的航天运输工具,是未来运载火箭的发展方向。这种运载火箭的技术难度很大,研制费用也昂贵,但使用成本很低。当前国外正在积极研究的完全重复使用运载火箭主要分为单级入轨和多级入轨两类。根据美国航宇局正在实施的先进运载技术计划,单级入轨(SSTO)火箭的方案有3种,即垂直起降方案、垂直起飞水平降落的翼身组合体方案和垂直起飞水平降落的升力体方案。4

虽然单级入轨的方案是未来运载火箭的发展方向,但由于其采用了很多的先进技术,技术风险高,需投入的资金也很多,在近期内实施起来比较困难。而多级入轨方案可以采用现有的成熟技术,研制风险小,能够在较短的时间内获得成功。因此,西方的一些国家也同样地重视多级入轨技术。很典型的是美国Kistler宇航公司研制的保温瓶状的两级型、全部重复使用的K-1运载火箭。4

完全重复使用两级入轨(TSTO)技术除了象K-1火箭一样采用两级液体火箭的方案外,还有一种助推级(驮运助推飞机)加轨道级的方案,如西德的空天飞机。它是以冲压发动机及火箭发动机为动力的两级方案,由两架飞机分别构成其助推级和轨道级,这种方案利用驮运助推飞机把轨道级加速并升到一定高度,从而减少轨道级所需的推进剂消耗量。但是,这种方案的运载能力要受到驮运助推飞机的限制。由于驮运助推飞机运载能力有限,轨道级的尺寸、运载能力就不能搞得很大。实现这种方案的主要关键技术是研制大尺寸、大运载能力、高马赫数飞行的驮运助推飞机。但就目前的技术水平来看,它需要高马赫数的冲压发动机技术及大型飞机的制造试验技术,所需研制经费多,研制周期长,在近期内不容易实现。4

从上所述可知,运载火箭总的发展趋势是由一次性使用过渡到部分重复使用,最终实现完全重复使用,虽在各个阶段都有多种实现形式和途径,但总的目标都是通过重复使用来降低发射成本。必须指出,重复使用并不等于降低发射成本,关键的问题是要尽可能降低为重复使用而付出的研制费用等。运载火箭发展至今已有40余年的历史了,为了保证能在世界空间市场上占有一席之地,应该紧跟运载火箭的发展趋势,跟踪国外重复使用运载火箭的发展状况,通过借鉴国外的研制经验,分析其经验教训,来探讨研究重复使用运载火箭的技术途径及规划今后的研制步骤。

第一款可重复使用火箭在已有的航天器发射过程中，火箭是很大的一笔一次性开销，因为火箭升空的过程就是自我牺牲的过程。一次航天发射任务之后，火箭只剩下几乎没有多少再利用价值的残骸。美国一家民用太空公司决定改变火箭的命运，它们开发出世界上第一款可以重复利用的火箭。目前，这款火箭已经成功完成两次短距离试飞。6

目前，已经完成航天器发射任务的各种火箭都是一次性的，完成任务后就变成了残骸掉落到地面上。一次航天发射任务，火箭的开销就会花费数千万元人民币。然而，按照现在的设计，火箭要回收要加装隔热设施、降落控制器、缓降设备。就算这样，火箭在经过穿越大气层的高温灼烧和降落到地面的冲击之后，火箭发动机不可能毫发无损，维修又是一大笔费用。根据以往的研究，回收利用火箭的费用比新造火箭还要大，这就是各国放弃回收利用火箭的原因。然而，美国的太空探索公司还是认为不对火箭重新利用真是太可惜了。于是，他们开始研制可以像航天飞机那样可以重复利用的火箭。现在，他们已经初步获得成功，研制出一款名为“蚂蚱”的可重复利用火箭。之所以取名“蚂蚱”，是希望新的火箭能像蚂蚱那样随意起降而不会损伤自己。6

2012年11月，太空探索公司完成了第一次测试，这架火箭飞了5.4米高，飞行距离为1.8米，飞行过程历时8秒。按照这个高度和距离来看，“蚂蚱”似乎更像一款玩具，它甚至比不上节日烟花飞行的高度和距离。不过，“蚂蚱”并非玩具，它是一架真正的火箭，有40米的“身高”，这个高度并不输给其他火箭。6

在2012年12月中旬的一次测试中，它飞了40米高，历时29秒。更加令人兴奋的是，它又返回来了，稳稳当当地降落在发射台上，没有出任何差错。这次发射再次验证了“蚂蚱”的垂直起降技术和飞行控制技术已经比较成熟。为了在空中完成盘旋和降落等动作，“蚂蚱”采用了闭环矢量推力和油门控制技术。为了让人们对“蚂蚱”有一个更直观的认识，太空探索公司把一个2米高的牛仔造型假人装在火箭的起落架上。6

“蚂蚱”的起落架支撑范围较大，在飞行期间可被折叠起来，并有技术十分先进的隔热设施，避免起落架在穿越大气层时因高温而损坏。起落架有4条起落腿，在即将降落的时候，“蚂蚱”才像飞机那样把起落腿慢慢伸出来。由于采用了液压减震器和钢支撑结构，“蚂蚱”可以安全稳定地垂直降落，并不需要飞机那样的滑行过程。

方案设想根据国家技术经济风险承受能力和火箭技术优于飞机技术的实际情况,提出一种垂直起降两级入轨的方案设想:即采用成熟的两级火箭技术,将2t重的有效载荷送入预定的200km圆轨道。设想中的未来可完全重复使用运载火箭为两级液体火箭,全长35.2m,最大直径5m,起飞总质量370t,起飞总推力为4782.72kN。它使用5台1195.68kN的液氧/煤油发动机,其中一级有4台,二级有1台。此外二级还有4台推力为19.928kN的液氧/煤油发动机作为游动发动机。该火箭的一、二级全部回收,都将返回到距发射场10km的范围内。其一级回收系统由1顶引导伞、2顶减速伞、7顶主伞和8个气囊组成;二级回收系统由1顶引导伞、1顶减速伞、3顶主伞和4个气囊组成。其中单顶减速伞的面积为100m2,单顶主伞的面积为1200m2。在箭体落地前气囊充气,依靠气囊排出气体来缓冲着陆冲击能量,最终的着陆速度限制在2m/s以下。该火箭的飞行任务剖面图如图4所示。4

整个飞行任务剖面划分为7个阶段,即上升段、入轨段、轨道运行段、制动离轨段、再入段、缓冲着陆段及转场准备再发射段。该火箭的一、二级能分别回收,均飞回发射场。二级火箭在把有效载荷送入轨道之后,在轨道上飞行一周,然后再制动离轨,象飞船那样制动返回;一级火箭在级间分离之后,就点燃游动发动机,利用推力作用使其调头转弯,尾部朝前返回发射场,这条返回轨道的设计比较复杂,但从理论上说是可以找到这样的一条返回轨道的。一、二级火箭的回收程序基本上相同,当下降高度在10km左右时回收系统开始工作,先拉出一个引导伞,开引导伞的速度约为0.6～0.8Ma,然后在5km左右高度处打开稳定减速伞,在1.5km高度处打开主伞,开主伞速度约为80～90m/s,最后以7.5m/s的速度降落。在落地前气囊充气,依靠气囊排出气体来缓冲着陆冲击能量,最后的着陆速度限制在2m/s以下。回收后的火箭经过维修后又能供再次发射使用。

在上述方案设想中基本采用现有的设备和技术,但有几点需要考虑:

(a)本方案中希望所有的发动机推进剂均选为液氧/煤油。4

(b)常规的整流罩是两半结构,用完后就抛掉了,而完全重复使用运载火箭的整流罩也需要回收,因而需要设计一种整体式整流罩,整流罩与箭体可以用铰接装置连接,在有效载荷分离后,又能自动合上。如果整流罩太长则影响火箭的稳定性,故希望在合上后,整流罩的上半段能缩入下半段内,这样既保证了火箭的稳定性,又保证了再入时火箭有良好的气动外形。同时整流罩的重量要严格限制,因若整流罩太重,则相同推力下能发射入轨的有效载荷的重量就减少了。4

(c)常规的火箭用完后就抛掉了,故可以不考虑其在大气层中的烧蚀问题,但要回收后重复使用,就不能忽视这个问题了。美国的航天飞机上用的防热瓦、防热毡技术可供参考,总的要求是希望可靠性高而又质量轻。

(d)为了使运载火箭的重量不至于过大而又能有重复使用性,应加紧新材料的研制,新材料包括高温防热结构材料、轻型结构材料和低温贮箱材料。采用此方案可以将造价昂贵的发动机系统、低温推进剂贮箱和控制系统及其他组成部分全部回收,且基本上均采用现有的成熟技术,同单级入轨方案相比,避开了一时难以攻克的材料工艺、仪器设备小型化等技术难关,减小了技术、经济风险,使之在不久的将来有实现的可能。4

未来发展趋势(1)火箭动力是现实选择,吸气式组合动力是未来方向.在RLV的研制过程中,世界各国一般采取两条主线发展模式:一是火箭动力,另一条主线是吸气式组合动力.火箭发动机技术经过几十年发展已经相对成熟,并成功运用于一次性火箭和部分重复使用的航天飞机上,因而比较容易在短期内实现.与火箭动力相比,吸气式组合动力可以在不同的飞行高度和马赫数条件下启用最优的工作模式,达到最佳的加速和巡航要求,能够充分利用大气中的氧减轻自身的起飞重量,成为未来最有前途的动力系统.在20世纪90年代各国吸气式动力的单级入轨空天飞机计划因技术难度较大而夭折后,各国都采取了比较务实的做法,RLV先发展较为成熟的火箭动力,后发展技术难度更大的吸气式组合动力.2

(2)两级入轨是近期重点,单级入轨是终极目标.单级入轨RLV具有系统简单、高性能等潜在优势,但技术跨度较大,需攻克新型动力、轻质高效材料等瓶颈技术,短期内难以实现.在单级入轨RLV的发展史上,重点方案都因技术或资金问题而搁浅,遭遇了重大挫折,目前仅有Skylon空天飞机在进行相关研究,主要集中在“佩刀”发动机的关键技术攻关上.从主要航天国家的发展历程看,美国单级入轨项目X-30计划和X-33计划相继下马,预算花费超过40亿美元,使得各国发展RLV的策略上采取更加务实和慎重的态度,近期多以综合考虑了系统复杂程度和技术攻关难度的两级入轨RLV为发展重点.美国的试验性太空飞机(XS-1)、俄罗斯的“可重复使用太空火箭第一级系统”(MRKS-1)等,都是两级入轨RLV的典型代表.2

(3)垂直起飞/水平返回是主流方向,垂直起降是有益补充.在目前条件下,垂直起飞/水平返回和垂直起降是火箭动力两级入轨方案中的两大主要研究方向.对于火箭动力的两级入轨RLV而言,采用垂直发射方式,起飞和飞行时主要承受轴向载荷,结构设计简单,同时垂直起飞能够快速穿越大气层,气动阻力损失小.返回方式根据不同的气动外形,可以选择垂直降落或者水平降落:火箭外形采用垂直降落,结构设计简单,用于着陆的结构附加重量较小,但是要求发动机具备大范围推力调节能力;带翼外形可采用水平降落的模式,利用大气阻力进行着陆前减速,但是飞行中气动阻力和气动加热比垂直降落大,需要在机翼和机身部位采取防热措施,另外水平着陆还需要较长的跑道进行滑跑减速.水平返回的带翼重复使用运载器具备优异的高超声速飞行能力和快速响应能力,可发展成为具有战略威慑性的军用空间飞机,因而成为各航天大国和集团研究的主流方向;技术难度小、具备低成本特征的垂直起降则受到私营航天公司青睐,重点开发适应廉价商业发射需求的重复使用运载器.2