SpaceX用“筷子”夾火箭？其實(shí)并不是夾住的

北京時(shí)間10月13日夜間20時(shí)25分，SpaceX成功進(jìn)行了第五次星艦集成飛行測(cè)試。本次測(cè)試最大的一個(gè)亮點(diǎn)就是：星艦一級(jí)——直徑9米、高達(dá)71米的龐然大物與二級(jí)火箭分離后返回到了發(fā)射臺(tái)，并成功由安裝在發(fā)射臺(tái)上的Mecahzilla機(jī)械臂捕捉，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射臺(tái)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

01發(fā)射臺(tái)是怎么接住火箭的？

發(fā)射臺(tái)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(tái)上了。如下圖所示，機(jī)械臂回收機(jī)構(gòu)卡住的實(shí)際上是火箭上兩個(gè)不起眼的倒L形掛點(diǎn)，這個(gè)結(jié)構(gòu)直接連接在了一級(jí)貯箱的上底上，所以可以承力。

圖源：SpaceX和太空探索視頻號(hào)

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)”?；鸺陆颠^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(dòng)機(jī)必須精確、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)推力，并具備多次起動(dòng)的功能。

其次，“落得穩(wěn)”也不容易?；鸺岛街?，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(duì)，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(dá)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。

02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(shí)現(xiàn)回收后，它就能像飛機(jī)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(kuò)容的希望所在。傳統(tǒng)火箭發(fā)射必須留出至少兩個(gè)月的準(zhǔn)備期，還得緊盯時(shí)間窗口“看天吃飯”。而像SpaceX這樣直接掛回發(fā)射臺(tái)，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(shí)，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(jí)/助推器回收、整流罩回收、組合體回收等。一子級(jí)/助推器回收、整流罩回收，是指對(duì)運(yùn)載火箭的某一部分進(jìn)行回收再利用。組合體回收，是指將火箭的某些部分組合進(jìn)行一體設(shè)計(jì)、一體回收再利用。

整流罩回收?qǐng)D源：SpaceX

03火箭一子級(jí)回收方案有哪些？

SpaceX本次進(jìn)行的是一子級(jí)回收，火箭一子級(jí)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(dòng)力減速回收）。

1）降落傘回收

降落傘回收就是利用降落傘實(shí)現(xiàn)火箭一子級(jí)的減速回收?；鸺蛔蛹?jí)完成工作且級(jí)間分離后，返航進(jìn)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(duì)火箭一子級(jí)進(jìn)行減速，并牽引火箭一子級(jí)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(yùn)力損失小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。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(yùn)載火箭一子級(jí)回收，應(yīng)用較受限制。

圖源：航空知識(shí)

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(jī)翼產(chǎn)生的氣動(dòng)力大小和方向改變火箭一子級(jí)滑翔方向，實(shí)現(xiàn)一子級(jí)的水平降落。在火箭一子級(jí)下降至大氣層后，展開預(yù)先安裝的可折疊機(jī)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(diǎn)精度高、無需對(duì)回收子級(jí)進(jìn)行搜索等優(yōu)勢(shì)，但該回收方案要求火箭能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)火箭飛行和航天飛機(jī)飛行兩種模式。

圖源：中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究所

3）垂直起降回收（動(dòng)力減速回收）

垂直起降回收（動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)整火箭一子級(jí)的飛行狀態(tài)，確保火箭一子級(jí)以近乎垂直的姿態(tài)下降。在最后著陸階段，發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)反推實(shí)現(xiàn)減速，最后以接近于零的速度垂直降落在著陸平臺(tái)上，回收后的火箭一子級(jí)可以重復(fù)使用。垂直起降回收（動(dòng)力減速回收）具有對(duì)現(xiàn)有火箭設(shè)計(jì)改動(dòng)小，著陸精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)安全回收等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)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(jí)海上著陸飛行剖面示意圖 圖源：參考文獻(xiàn)[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(qǐng)了火箭回收技術(shù)相關(guān)專利，包括發(fā)明、實(shí)用新型和外觀設(shè)計(jì)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(xiàn)[3]

今年9月11日，我國自主研發(fā)的朱雀三號(hào)可重復(fù)使用垂直回收試驗(yàn)箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成10公里級(jí)垂直起降返回飛行試驗(yàn)，標(biāo)志著我國商業(yè)航天在可重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)上取得了重大突破，為將來實(shí)現(xiàn)大運(yùn)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。

圖片來源：央視新聞

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作者：郭瑋宏，中國科學(xué)院大學(xué)博士、高級(jí)工程師
策劃：小小蒲公英

編輯：小叮當(dāng)