重复使用运载火箭不是梦 “太空狂人”还有更多梦想

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　　▲未来猎鹰-9火箭第二级着陆示意图。

　　▲猎鹰-9火箭第一级的9台发动机。

　　▲猎鹰-9火箭第一级成功着陆场景。

　　 新闻背景

　　2015年12月22日，美国太空探索技术公司用猎鹰-9火箭，成功发射了轨道通信公司的11颗小型通信卫星。更重要的是，猎鹰-9火箭在世界上首次成功进行第一级有动力垂直回收，从而在人类历史上率先验证了轨道运载火箭的回收技术，为未来打造可重复使用运载火箭，大大降低运载火箭发射成本奠定了重要基础。

　　 “惊天动地”意义非凡

　　众所周知，目前的运载火箭都是一次性使用的，所以长久以来航天发射成本居高不下，发送质量1千克物质上天的成本约为1万至2万美元，大大影响了人类开发太空的规模和效益。

　　比如，作为目前世界上最便宜的猎鹰-9火箭，总造价约为5000多万美元，而其推进剂的成本只有20万美元。因此，如果能够回收火箭，然后重复使用，可以极大降低发射成本。所以，美国太空探索技术公司自设计之初就一直在研究如何回收以及重复使用猎鹰-9火箭的有关技术。据悉，如果能回收并重复使用猎鹰-9火箭的第一级，可降低火箭成本80%；如果第一、二级火箭都能回收并重复使用，则可降低火箭成本99%。太空探索技术公司总裁马斯克曾表示，可重复使用火箭将使空间进入成本降低两个数量级。

　　另外，回收火箭还能保障地面人员和财产的安全，因为现在的火箭发射时那些被抛下的部件中，除了第三级火箭外，其他部件会因为高度不足，无法完全燃烧而成为残骸降落到地面或水面，这样就不可避免地会有火箭残骸落入民居损坏财物，甚至伤人。

　　回收火箭也可以保护环境，因为一些火箭的燃料是有毒的，每次发射后会残留一些，这些残留燃料会随着火箭落地而污染环境。如果能回收第一级甚至第二级火箭，就可使火箭残骸不会砸在地面或水中完全解体，也就不会让剩余燃料更多地污染环境。

　　 火箭回收三种方案

　　要实现运载火箭的可重复使用，回收技术是关键。据权威专家介绍，火箭的回收方式一般有三种：降落伞垂直下降式、动力反推垂直降落式以及滑翔飞行水平降落式。

　　第一种是降落伞垂直下降方案，即在火箭分离后先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道，接着在低空采用降落伞减速，最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。

　　第二种是动力反推垂直下降方案，其空中变轨制动同第一种，但在低空采用发动机反推减速，以垂直下降方式降落地面。美国猎鹰-9火箭采用的就是这种方案。

　　第三种是滑翔飞行水平降落方案，即箭体采用翼式飞行体，在变轨制动后，火箭像飞机一样水平降落返回地面。这种方案又分为有动力和无动力两种，后者完全依靠翼身的气动力滑翔飞行，而前者是采用装有涡喷发动机的翼式飞行体，在返回地面过程中启动涡喷发动机进行巡航机动飞行，可实现更大范围的回收区选择。

　　 垂直回收困难重重

　　猎鹰-9火箭是从2002年开始研制的。该火箭不仅已用于发射“龙”货运飞船，还用于发射多种商业卫星。由于价格便宜，可靠性高，能以每次5000万至6000万美元的发射价格支持航天发射任务，所以猎鹰-9火箭现已获得大量航天器发射订单，供不应求。

　　仅仅是这些，猎鹰-9已经是非常成功的火箭了，但太空探索技术公司还有更有野心的目标，就是要实现火箭的垂直起降回收，以便未来可以重复使用。然而要做到这一点，面临的困难是十分巨大的。

　　第一是控制火箭姿态垂直着陆。但众所周知，越是细长的东西，越不好控制其姿态，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难。有人形容其难度犹如“在狂风中让扫帚柄直立于手掌上”。在返回过程中，猎鹰-9第一级火箭是通过箭上的液氮推力器来调整姿态的，以应对气动扭矩和旋转的影响，在降落过程中一直与地面保持垂直状态。具体说就是箭体上有4个可展开的栅格翼，它通过GPS卫星制导来协助控制火箭朝着陆地点降落，使其最终落地的精度在10米左右。

　　第二是火箭发动机要具有推力可调和多次启动的功能。为了动力反推，火箭多带了一些燃料。在第一级返回的不同高度，火箭质量会随着燃料快速消耗而明显减小，所以其反推发动机需要采用不同大小的推力，以实现软着陆。

　　第三是火箭发动机要能重复使用，且每次飞行后只需经过简单维修和加注燃料就能再次发射，至少能够重复使用10次以上。