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標題: SpaceX是怎么做到人类历史上首次火箭回收的？ [打印本頁]

作者: 深蓝色的畅想 時間: 2022-5-21 09:45
標題: SpaceX是怎么做到人类历史上首次火箭回收的？
12月22日，一个震撼世人的消息很快传遍了世界各地：美国SpaceX公司的猎鹰9号火箭，在运送Orbcomm公司11颗通讯卫星进入轨道后，地面成功回收了返回的一级火箭，创造了人类太空史上当之无愧的第一。
▼下图是这次发射任务中火箭轨迹震撼的延时摄影照片：

这与2015年11月24日美国蓝色起源公司（Blue Origin）进行的New Shepard火箭回收实验形成了鲜明的对比，下图展示了两次回收的轨迹巨大区别。相比而言，猎鹰九号实现了一次标准的入轨轨迹，一级火箭在将剩余部分火箭送入既定位置后继续返回，返回高度已经超过200千米，飞行水平距离约95千米，而且剩余火箭成功完成了11颗卫星的发射任务，可谓是个让人极其信服的实验，相较之下蓝色起源的New Shepard还处在初级验证阶段。

▲（图片来自Jon Ross所在的ZLSA工作室）
关于SpaceX这个公司和他老板伊隆·马斯克（Elon Musk）的传奇经历，下篇文章再谈，本次先为大家回顾下猎鹰九号火箭的成功历程。
首先，为什么要回收火箭？
由于技术复杂，没有工业化批量生产，火箭的制造与发射一直是个极其昂贵的过程，动辄上亿乃至数亿美元。为了航天发射节省成本，上世纪美国和苏联在太空竞赛的背景下提出了利用可回收的优势发展航天飞机，然而事实证明由于系统过于复杂、再利用成本极其高昂，航天飞机成为一个失败的科研项目：美国航天飞机平均的发射费用达到了瞠目结舌的15亿美元，加上挑战者号和哥伦比亚号的失败，直接导致项目下马。而苏联人做的暴风雪号，则完全没有投入实际使用就宣告退役。这种背景下，重复回收火箭被人重新提出。
因为从理论上讲，火箭的发射成本里面，燃料的费用非常低。以猎鹰九号为例，单次发射费用为5400万美元，但燃料费只有20万美元，所以如果能回收单看数据自然大大降低了成本。
虽然由于系统设计难度增加、冗余及备份、牺牲发射效率（火箭内还要留有燃料）、无法预测的发动机翻新费用等系列缺点，但没有人敢断言在未来技术成熟和火箭发射频率要求提升的背景下，这是个会多有前景的黑科技。
于是乎，各个航天大国的火箭回收项目又看到了曙光，由于火箭绝大部分成本都在一级（比如猎鹰九号一级带有9个发动机，二级只有1个），也从可行性方面考虑（二级及以上飞行距离过远过高回收几乎不可能），所有的火箭回收都针对一级火箭。但目前各国尤其是美国的航天科研重心并不在于此，这让背景为民营的SpaceX有了自己的科研空间。但要记住，航天永远是国之重器，SpaceX研究的火箭回收技术，只是美国宇航局出让出去的很小一部分而已。
那么，SpaceX是如何做到的？
说到这里，先简单回顾下SpaceX的成立。
SpaceX是一家民营的私人航天公司，是的，你没有看错，刚开始这并不是政府重点扶持立项的企业。伊隆·马斯克是个超级天才，12岁已经在卖自己开发的商业软件，30岁不到已经两次创业成功赚到了第一桶金。他在2002年创立了SpaceX，4年后正式注资了一亿美元（他一个人持有整个公司三分之二的股份，标准的私人公司），然后便开始了他的航天之路。在逐渐获得成功之后，拿到了美国宇航局的合同和技术支持，才真正踏上了飞天之路。

（图片来自SpaceX官网）
火箭发动机的制造
SpaceX的火箭发动机制造技术可谓是看家本领，短短数年间就开发出了Merlin、Kestrel、Raptor、Draco和SuperDraco几个系列火箭发动机。从煤油、甲烷到自燃类引擎几大系列，可谓是一个非常丰富的家族了，但一个Merlin系列就包含了六种版本，在这方面完全达到了航天大国水准。猎鹰九号上的一级火箭，则由9个捆绑的Merlin Vacuum (1D)型发动机构成，整个系统采用了非常先进的系统冗余和容错设计，可以在两枚发动机失效的情况下完成正常发射入轨任务，这也是SpaceX的杀手锏技术，前无古人。

（图片来自SpaceX官网）
可回收火箭及其返回的跳跃实验
有了系列发动机，SpaceX最早做出了蚱蜢(Grasshopper)系列火箭。
正如其名，这些试验机基本上采用“跳跃”的方式发射，然后关闭发动机系统让火箭下落，以进行垂直状态下的火箭控制与回收。从2012年9月到2013年10月，前后进行了8次试验，从最早的点火三秒高度1.8米，到点火80秒高度超过500米并有了横向机动，SpaceX获得了一系列重要试验数据，为未来成功奠定了重要基础。在这个过程中，他们已经从前期资金投入逐渐变为美国宇航局资助。

（图片来自SpaceX官网）
火箭整体实验
在蚱蜢火箭测试之前，SpaceX的猎鹰九号火箭已经开始了实际发射任务，从最早的2010年6月4日为国际空间站发射龙飞船(货运)，到最近的本次发射，已经实现了20次火箭发射任务，严格意义说只有一次失败(另一次有一半载荷没能成功入轨)，但基本说明火箭整体技术已经日趋完善。而在火箭一级回收方面，作为8次蚱蜢火箭实验的延续，SpaceX在2014年进行了4次近地火箭整体实验，高度在1000米左右，但最后一次不幸失败，失之毫厘谬以千里，一个小小零件的故障导致了失败。
实际发射任务——海上回收
在实际发射任务中，SpaceX也进行了几次一级火箭在分离后的返回试验，这就是大家比较熟悉的海上平台回收。然而并非一切顺利，总共三次试验：
第一次（2015年1月）单纯为了测试让火箭直接掉到了海里；
第二次（2015年4月）使用了海上平台但火箭直接倾覆后爆炸在平台上；
第三次（2015年6月）直接在空中爆炸。

（2015年4月官方回收视频截图）
陆地回收最终成功
经过了众多失败，SpaceX决定采用陆地回收的策略并终于在12月22日迎来了首次成功，一系列投入终于换回了让人欣慰的回报。
火箭采取了垂直回收的方式，降落过程中逐渐导航至下降通道，最后落地前火箭发动机将相对速度降为接近0的状态，采取四个支架平稳着陆。
在回收视频中可以看到，现场由于火箭喷射气流产生了巨大的音爆，所有人刚开始都认为闪光中的火箭回收失败了，但后来火焰熄灭看到火箭平稳立住的那一刻，全场爆发了无尽的欢呼声。观看视频时看到那些现场观众疯狂的表情，让人真正发自内心为他们对人类航天事业的巨大贡献而自豪，这一天，一个新的时代，向我们张开了大门！

（回收时落地的画面，来自SpaceX官网）
火箭回收的意义到底是什么？
是否能真正降低成本，值得商榷和进一步观察：
a、为了回收，要增加额外的各种控制和导航空间，导致火箭的设计难度大大提高；
b、火箭为了保全，需要留下不少燃料作为后续的“刹车”减速。这对整个推进系统的设计尤其是燃料推送系统的要求极高，要增加很多冗余设计，风险较大；
c、火箭发射一个重要指标就是推重比，相当于有效载荷(卫星或飞船)所占比例越高越好，但如果考虑回收，相当于额外的一些燃料和系统设计会占掉有效载荷的空间，导致发射效率降低。或者是为了达到同样的发射能力，需要更大的火箭设计；
d、类似航天飞机，回收过后的维护尤其对一级发动机的维护，恐怕成本不亚于直接换一个新的；
e、节约成本从本质上讲是当发射频率达到一定数量之后才有意义，比如欧洲，一年恐怕就发射个位数的火箭，就算用可回收火箭，使用频率不够，也会使运营与维护成本占火箭发射总费用的比例极大增加。
从这些方面说，在目前这个技术程度和航天发射需求下，SpaceX的火箭回收技术难以很大程度节约成本，或者只是成本略微降低而已。
但这毕竟是人类航天史上一次划时代的成功，意义远远不止火箭成功回收这一技术上的胜利。SpaceX和之前蓝色起源的成功，让世间第一次意识到航天不再是一种遥不可及的领域。
这个意义就好比，当初欧洲人航海，最早都是举全国之力，送出两三艘船，百年之内便发现了美洲、环游了全世界。但突然间，人类发现航海技术不再遥不可及，造船公司、航运公司成为了现实，人们可以买票做出一百多年前开拓者做出的创举。五月花号上的人，坐在船上，已然没有了当时开拓者们害怕的那种心境，他们只是买了在正常不过的船票，航海已经成为人类开拓新世界的工具，不再神秘。
航天亦是如此，刚发展了不过70年时间，如今已经从国之重器、国之大业，慢慢走向了商业化、产业化，一个私人公司竟然能实现如此不可思议的成就，未来的航天将会更加普及，成本将会更加低廉，可靠性将会更加令人信服。航海用几百年普及下来，航天可能100年内即可实现，未来这些商业公司的航天，将会成为人类进入太空开发太空的一艘艘“五月花”号。这种意义上的贡献，是要远远超过SpaceX做出的任何一个产品的。

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