北京時間10月13日夜間20時25分，SpaceX成功進行了第五次星艦集成飛行測試。

本次測試最大的一個亮點就是：星艦一級——直徑9米、高達71米的龐然大物與二級火箭分離后返回到了發(fā)射臺，并成功由安裝在發(fā)射臺上的Mecahzilla機械臂捕捉，實現(xiàn)了發(fā)射臺回收火箭！

這究竟是怎么做到的呢？今天，我們一起來探究一下~

圖源：SpaceX

發(fā)射臺是怎么接住火箭的？

發(fā)射臺接住火箭，并不像我們平常使用筷子那樣，把它給夾住，而是 火箭自己掛在發(fā)射臺上了。 如下圖所示，機械臂回收機構(gòu)卡住的實際上是火箭上兩個不起眼的 倒L形掛點，這個結(jié)構(gòu)直接連接在了一級貯箱的上底上，所以可以承力。

圖源：SpaceX和太空探索視頻號

當(dāng)然，雖然不是夾住而是掛住的，但SpaceX回收火箭依然很有難度。

最難的是“ 回得準(zhǔn)”。火箭下降過程中，隨著燃料的消耗、速度的變化，需要輸出不同大小的推力確保其平穩(wěn)減速，這就要求火箭發(fā)動機必須精確、動態(tài)地調(diào)節(jié)推力，并具備多次起動的功能。

其次，“落得穩(wěn)”也不容易。火箭返航中，下降姿態(tài)、著陸角度都必須得到高精度控制，一旦著陸角度不對，火箭就可能傾覆，引發(fā)燃料外泄導(dǎo)致爆炸。SpaceX的獵鷹9火箭著陸精度可以達到垂直速度誤差 1.47m/s、水平速度誤差 0.15m/s、傾斜誤差 0.4°、偏離目標(biāo)中心 0.7m。

為什么要回收火箭？

最直接的是 成本控制，火箭回收是直接降低發(fā)射成本的最佳方式。當(dāng)火箭實現(xiàn)回收后，它就能像飛機一樣多次起降飛行，把成本越攤越薄。

其次，火箭可回收，意味著可以 提高發(fā)射頻率，這是產(chǎn)業(yè)擴容的希望所在。傳統(tǒng)火箭發(fā)射必須留出至少兩個月的準(zhǔn)備期，還得緊盯時間窗口“看天吃飯”。而 像SpaceX這樣直接掛回發(fā)射臺，檢查后，如果還能滿足發(fā)射條件的話，直接加注燃料，裝上載荷，火箭就能再次發(fā)射了， 非常方便。

圖源：SpaceX

那么，以后所有的火箭都要像這樣 被“筷子夾住 ”嗎？其實，也不一定。

按照火箭回收部分的不同，火箭回收可以細(xì)分為 一子級/助推器回收、整流罩回收、組合體回收等。 一子級/助推器回收、整流罩回收，是指對運載火箭的某一部分進行回收再利用。組合體回收，是指將火箭的某些部分組合進行一體設(shè)計、一體回收再利用。

整流罩回收

圖源：SpaceX

火箭一子級回收方案有哪些？

SpaceX本次進行的是一子級回收，火箭一子級回收方案主要有3種： 降落傘回收、滑翔回收（ 帶翼火箭回收）和垂直起降回收（動力減速回收）。

1）降落傘回收

降落傘回收就是利用降落傘實現(xiàn)火箭一子級的減速回收。火箭一子級完成工作且級間分離后，返航進入大氣層，預(yù)先安裝的降落傘展開，在下降過程中 依靠大氣阻力對火箭一子級進行減速，并牽引火箭一子級返回地面。

降落傘回收有技術(shù)難度低、系統(tǒng)簡單、投入少、成功率高、火箭運力損失小、可靠性高等優(yōu)點。但由于降落傘承重能力非常有限，降落傘回收方案比較 適合小型運載火箭一子級回收，應(yīng)用較受限制。

圖源：航空知識

2）滑翔回收（帶翼火箭回收）

滑翔回收（ 帶翼火箭回收）是指 依靠機翼產(chǎn)生的氣動力大小和方向改變火箭一子級滑翔方向，實現(xiàn)一子級的水平降落。在火箭一子級下降至大氣層后，展開預(yù)先安裝的可折疊機翼，使火箭在大氣層中水平滑翔，并在最后下降階段利用著陸架等結(jié)構(gòu)著陸。

滑翔回收 （ 帶翼火箭回收） 具有落點精度高、無需對回收子級進行搜索等優(yōu)勢，但該回收方案 要求火箭能夠 同時實現(xiàn)傳統(tǒng)火箭飛行和航天飛機飛行兩種模式 。

圖源：中國運載火箭技術(shù)研究所

3）垂直起降回收（動力減速回收）

垂直起降回收（動力減速回收）采用垂直起飛和垂直降落技術(shù)方案。在著陸前，通過姿控發(fā)動機調(diào)整火箭一子級的飛行狀態(tài)，確保火箭一子級以近乎垂直的姿態(tài)下降。在最后著陸階段，發(fā)動機重新啟動進行主動反推實現(xiàn)減速，最后 以接近于零的速度垂直降落在著陸平臺上，回收后的火箭一子級可以重復(fù)使用。

垂直起降回收（動力減速回收） 具有對現(xiàn)有火箭設(shè) 計改動小，著陸精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)定點安全回收等優(yōu)點 ，但對導(dǎo)航制導(dǎo)精度和姿態(tài)控制要求極其嚴(yán)格。垂直起降回收是火箭回收技術(shù)的主要發(fā)展方向。

“獵鷹”9 火箭一子級海上著陸飛行剖面示意圖

圖源：參考文獻[4]

目前，國內(nèi)外都在爭分奪秒發(fā)展 火箭回收技術(shù)。 截至2023年12月，我國已有14家商業(yè)火箭公司申請了火箭回收技術(shù)相關(guān)專利，包括發(fā)明、實用新型和外觀設(shè)計等。

我國各公司公開的火箭回收相關(guān)專利數(shù)量排名

圖源：參考文獻[3]

今年9月11日，我國自主研發(fā)的朱雀三號可重復(fù)使用垂直回收試驗箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成10公里級垂直起降返回飛行試驗，標(biāo)志著我國商業(yè)航天在可重復(fù)使用運載火箭技術(shù)上取得了重大突破，為將來實現(xiàn)大運力、低成本、高頻次、可重復(fù)使用的航天發(fā)射邁出了關(guān)鍵一步。

圖片央視新聞

參考文獻

[1]像回收可樂瓶一樣回收火箭？[J]. 中國總會計師, 2024, (08): 188.

[2]王鐵兵,朱雄峰,崔朋,等. 國外運載火箭發(fā)射技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路線分析 [J]. 國際太空, 2022, (05): 40-45.

[3]田偉,張春林,劉建,等. 我國商業(yè)火箭公司火箭回收相關(guān)專利分析 [J]. 中國航天, 2024, (06): 46-52.

[4]張智境,楊毅強,吳煒平,等. 垂直回收火箭相對導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析 [J]. 中國航天, 2022, (11): 25-30.

[5]陳曉飛,孟慶堯,楊樹濤,等. 運載火箭回收模式及發(fā)展展望 [J]. 中國航天, 2023, (09): 9-17.

[6]李利群,馬翀,王二亮. 國內(nèi)外航天發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀與未來發(fā)展綜述 [J]. 上海航天(中英文), 2024, 41 (02): 1-6+170.

作者： 郭瑋宏，中國科學(xué)院大學(xué)博士、高級工程師

策劃：小小蒲公英

編輯：小叮當(dāng)

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