回收一枚火箭，总共分几步？

我说咱们北斗系统建成了，你说人家火箭能回收。我说咱们空间站建成了，你说人家火箭能回收。我说咱们从月球上挖土回来了，你说人家火箭能回收，我说咱们马上要载人登月了，你还说人家火箭能回收。那好吧，今天是巡天之箭系列的最后一集，今天咱们说说火箭回收的那些事。

早期火箭回收

其实早在人类探索太空的早期，回收火箭就是一个美好愿望了。二战结束之后，美国用从德国弄来的V-2导弹进行了一系列的飞行试验，然而，弄回来的导弹它有数啊，试一次少一次，他们就想着，我能不能给它加个降落伞让它缓缓落地，而不是砸到地上？但理想很丰满，现实很骨感。当时V-2下落的速度太快，降落伞一放出来，就不出意外地被撕成了碎片，并不成熟。

再后来，美苏之间在航天方面展开了你追我赶的星球大战，这个时候两个国家都在不计成本地追求第一，第一颗人造地球卫星，第一艘载人飞船，第一次太空行走，第一次载人登月，第一个空间站，等等，至于花多少钱？不在乎！而到了后来，阿波罗计划的成功让美国人在太空竞赛当中取得了客观的领先，在他们欢呼雀跃的同时，看了一眼账单，额……有点肉疼。

于是，他们就开始尝试重复使用的火箭——航天飞机。听我上面这句话是不是有点别扭？到底是火箭啊还是飞机啊？事实上，我们可以把它看成是一个飞机型的火箭，它在起飞时使用的动力，是中间的三台液氢液氧火箭发动机，和旁边的两台固体火箭发动机，所以当然是火箭。而在返回的时候，它就像一架飞机，或者准确来说是滑翔机一样，滑翔着陆到机场跑道上。而它两边的助推器则是用降落伞进行回收，至于中间抱着的大罐子，那是航天飞机系统里面最便宜的部分，基本就只是个罐子，于是就不回收了。

在美国人的设想中，航天飞机每一架可以重复使用100到150次，相当于摊到每一次发射来说，制造成本都会只有100到150分之一，怎么想怎么省钱，金牛座做梦都会笑醒的那种。但是一用起来之后发现，完蛋，这是个载人航天器，比一般的火箭要求高的多，系统也复杂的多，以至于虽然可以回收，但回收之后的维护成本高得离谱，不亚于再造一个一般的普通火箭。而且航天飞机的空重就有70吨左右，这70吨横竖都要进太空，在一般火箭那儿，都要被算进有效载荷的。也就是说，不管我要再带点儿什么进去轨道，都得先考虑把这70吨送上去，就类似一个重型卡车，我要是用它拉很重的东西，比如空间站的构件进入太空的话，是划算的，但如果只是送几个人进空间站，那就好比是开重卡出去买菜，划不来了。所以最后，航天飞机并没有省钱，没有一架用到了100次，能上太空的5架加一块儿才用了135次，还炸了两架死了14个人，又费钱又费命。

垂直落地技术

虽然航天飞机没有达到预期的抠门目的，但航天人抠门的目标不会变，在航天飞机退役的同一时期，美国的SpaceX公司开始尝试让火箭自己控制自己垂直落到地上，既不需要像飞机那样的跑道，也不需要降落伞。当然，这并不是他们首创的技术，早在1993年，麦道公司就造过一发火箭叫“三角快帆”，它可以垂直起飞，然后再垂直落下，证明了火箭是可以控制自己立在地上的。其他需要解决的问题就是，让要回收的火箭跟上面的部分分离之后，自己飞到着陆的地点，减到足够小的速度，再瞄准着陆点。

我们都知道，目前SpaceX公司已经比较成熟地完成了以上这个过程，而他们使用的就是猎鹰九号火箭，它是一种两级火箭，只有第一级会进行垂直回收。它的一级有九台“梅林”液氧煤油火箭发动机，在起飞的时候，九台同时工作，提供足够的起飞推力。在大约两分半之后，第一级的九台发动机会同时关机，而后一二级分离，二级点火，一级踏上回收之旅。

大家注意一件事，从这时候开始，一级是否可以成功回收，跟它的发射的载荷是不是安全入轨已经没有关系了，一级火箭回收的心理压力是不是小很多？回收成功了就算赚的，不成功大不了跟市面上别的火箭差不多嘛。而像航天飞机，它得囫囵个回收，还是跟人一块儿回收，回收过程是不敢出一点差池的，压力山大，这也是SpaceX可以在前面一直回收、一直失败、积累大量经验快速迭代产品的一大原因。

在开始回收的时候，猎鹰的一级火箭的燃料已经消耗的差不多了，所以重量比较轻，并不需要很多推力就可以实现它的减速和着陆。事实上，它保留下来的用于着陆的燃料只有6%到10%，所以在与第一级分离之后，只要9台发动机中的三台工作，就可以实现火箭的减速。陆地回收和海上回收第一级的飞行弹道有所不同，但都需要三台发动机多次开关机工作来进行减速。而到了最后落地的时候，火箭的重量会更轻，这时只要一台发动机工作就可以了。

垂直回收关键技术

在以上这些过程中，有一些关键技术，比如如何让火箭飞到预定的着陆区，除了火箭发动机的控制以及侧面的喷气控制之外，猎鹰九号还使用了咱们前面讲过的栅格舵，这种东西让火箭在大气层以内飞行的时候可以获得很大的控制力，并且有效减速。因为火箭回收的时候是屁股向下掉的，飞行方向跟发射时候刚好相反，所以这个栅格舵在发射时候是折起来不起作用的，回收下落的时候再展开，目前虽然我们中国还没有实现火箭垂直回收，但是在2019年的时候，已经预先使用这个栅格舵进行了火箭一级的落区精确控制实验，其实也就是那个让火箭飞到指定着陆区的部分。

而接下来要解决的，是让发动机给火箭减速，从刚才对于猎鹰九号发射和回收过程的描述中大家可以看出来，在这种火箭的任务里面，一级发动机要开机关机好几次，这叫做多次点火技术。在那种掉落过程中，燃料箱里的燃料可能会晃荡，不沉底，导致燃料供应出现压力不足甚至中断，还需要稳定可靠的火苗子来进行多次的点火，这些都是多次点火技术中的重点难点问题。

而在充分减速之后，想要火箭以非常低的速度落在地面上，火箭发动机的推力需要非常精准地进行比较大范围的调节。比如猎鹰九号的梅林发动机，它的推力就可以在60%-100%之间进行调节。在火箭发动机那一期节目里面我们说过，液体火箭发动机的推力调节相对简单，多给点燃料推力就大，少给点推力就小，但这只是相对于固体火箭发动机来说，如果要实现大范围的精确调节的话，液体火箭要解决的问题也不少。比方说所需要的推力不同，送进燃烧室的燃料流量就不同，燃烧室的压力也不同，这时候把燃料喷进燃烧室的这个喷头必须要跟燃料流量一级燃烧室压力配合，否则就可能出现燃烧不稳定。此外，涡轮泵，推力调节器这些机构的配合也需要精准，而推力室和喷管的设计还需要能够适应不同推力下的燃烧状态。这些是推力调节的技术难点。

除此之外，着陆机构也是一项关键技术，对于猎鹰九号来说，它的着陆机构就是那三条可以折叠的腿，用这样的腿着陆，姿态精度要相对较高，落地要尽可能轻柔，还要让这样的折叠机构在上天落地的过程中不会被气动、高温、振动给整坏了，这也是挑战，所以除了用腿站在地上之外，现在工程师还开始用其他的方案，比如SpaceX的星舰系统，预计就会使用两个回收臂来对火箭的栅格舵进行支撑，就像用筷子夹住一根火腿肠一样，而我们国家的重复使用火箭方案中，还考虑过用四根绳索支撑火箭来进行回收。这样的方案可以让火箭上面的活动部件减少，增加可靠性，另外对着陆时的推力控制要求也会降低，因为回收拦阻机构会再对火箭进行缓冲和减速。

让使用火箭更方便

目前看来，spacex公司的猎鹰火箭的确大幅度减小了航天成本，但他们的目标还远不止如此，他们想让使用火箭像使用飞机那样方便，落地，加燃料，然后继续飞。而目前的猎鹰火箭在回收之后依然需要进入厂房进行翻修和清洗。其中一个比较大的原因就是，它使用的液氧煤油发动机会产生结焦，也就是类似我们开车时候的那个积碳，于是每次发射完之后都需要清理。而正是为了方便清理，让发动机结构更简单，它使用的发动机循环方式也是比较原始，效率较低的开式循环。

为了让火箭在两次发射之间不用进厂拆解、清理、检修，人们把目光集中在了液氧甲烷发动机身上，这种发动机不结焦，回收回来几乎就可以立刻继续使用，因此，在SpaceX公司的星舰还有他的助推器上，就使用了这种火箭发动机，并且通过闭式循环，提升了它的效率。另外，我国的蓝箭航天等企业也在研究液氧甲烷发动机，蓝箭还是世界上第一个用这种发动机将有效载荷打进近地轨道的团队。由此可见，这种发动机也许会是未来航天人的主要赛道之一。

回顾人类航空史，从跌跌撞撞起飞，到客机遍布世界各地服务寻常百姓，不过几十年的时间，航天技术在未来也一定会因为技术的成熟，成本的降低，走入和改变更多寻常百姓的生活。从杀人恶魔到星际列车，人类的先进技术一开始往往始于杀戮，但它只有能够造福更多的人，这项技术才会有真正的意义。

讲到这里，我们的巡天之箭系列节目就全部结束了，希望通过这六集节目，能让你掌握探索星辰大海的基本原理，我是苟胜，带给你硬核又有趣的航空航天知识，点赞加关注就可以下课了。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者|梁毅辰（苟胜老师）西安航空学院讲师

审核|周炳红 中科院国家空间科学中心研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司