回收火箭难在哪？

　　□唐庆博

　　近日，美国太空探索技术公司（Space X）的“龙”飞船首次载人试飞成功，将两名美国宇航员送入国际空间站。Space X最大的创新就是首次制造出可重复利用的火箭，那么，回收火箭到底有多难？请听中国运载火箭技术研究院研究发展中心高级工程师唐庆博在“造就Talk”演讲上的介绍。

　　2016年，Space X公司的猎鹰9运载火箭首次实现一子级火箭海上回收。2017年，Space X又首次实现“二手火箭”的成功发射。2018年5月，“龙”货运飞船由最新型猎鹰9火箭发射升空，同时实现一子级火箭陆上回收。

　　收回火箭最重要意义在于，回收并重复利用一级火箭，能够使发射费用降低30%，而随着重复使用次数的不断增加，每次的发射费用会越来越低。Space X公司的火箭在小修状态下可以重复使用10次，大修状况下可使用100次。

　　实际上，几十年来，各个国家的科学家都一直在研究这个问题，而Space X公司则取得了突破性的进展。

　　运载火箭的设计原理就是通过分级火箭按照“使用—分离—抛弃”的顺序，一级一级地把有效载荷运到轨道上去。

　　于是，很多科学家就设想，能不能把火箭收回来再次利用？

　　Space X公司的火箭飞行轨迹是怎样的呢？以它执行第一地球轨道任务为例。火箭起飞后140多秒的时候，高度为60公里左右，速度已经达到了非常快的6马赫（1马赫即一倍音速）。这时候它的一子级就关机，与二子级分离，之后发动机喷口朝着回收点的方向，进行第二次点火，来减小飞行的速度。

　　当飞行高度达到70公里左右，一子级上的栅格翼打开。它的作用有两个，一是利用气动进行减速，二是对火箭的姿态进行控制。接下来是第三次点火，快到着陆点的时候还有第四次点火，使速度降到5米/秒，着陆缓冲支撑腿打开。最后，也是最惊险的环节——垂直落在地面上。

　　这个过程说起来挺简单的，可是猎鹰火箭在实现海上回收之前曾经失败了4次，说明这件事还是挺难的。它究竟难在哪里呢？

　　第一个难点，因为加了回收这一步骤，所以火箭的总体参数优化和设计变复杂了。回收过程中首先需要有一定的动力，也就需要携带一部分的推进剂。在它落地过程中，气动加热会导致子级外壳出现一定的损失，这时候需要相应增重，而且可能需要对下落的弹道进行调整。打个比方，就好像既要它多扛货物，又要它本身体重轻，所以有很大的难度。

　　第二个难点，整个垂直返回的精度控制要求很高。我们可以把回收的过程比喻成一个动作——你手上有一支铅笔，要把这支铅笔抛出去，而且要让它垂直落在一个点上。这个过程分两个阶段：一是抛出去以后要准确找到那个点，因此导航制导精度要求特别高；二是它快要落地时要垂直降落，不能倾倒，这对它本身姿态的控制要求比较高。

　　第三个难点，火箭一子级落地过程中，要对它本身的推力进行调节，有时候需要从60%调节到110%，调节范围比较大。

　　第四个难点，推进剂的管理难度大。它降落的时候，实际上是“半桶水”或者更少，这里有一个控制的问题。

　　第五个难点，着陆时的缓冲问题。猎鹰火箭的缓冲装置起的作用有三个：第一是防止倾倒，第二是缓冲着陆，第三还要忍受发动机喷射的高温。