美國太空探索技術(shù)公司成功實(shí)現(xiàn)火箭一子級復(fù)用

美國太空探索技術(shù)公司成功實(shí)現(xiàn)火箭一子級復(fù)用

SpaceX Completed Reuse of Rocket' s First Stage

楊開 龍雪丹 （北京航天長征科技信息研究所）

北京時間2017年3月31日6：27，美國太空探索技術(shù)公司（S p a c e X）利用獵鷹-9（Falcon-9）火箭將歐洲通信公司（SES）的歐洲通信衛(wèi)星-10（SES-10）送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）。在這次發(fā)射中，獵鷹-9火箭使用了2016年4月回收的火箭一子級，并且再次成功回收。此次發(fā)射任務(wù)的成功標(biāo)志著SpaceX公司已經(jīng)掌握了火箭一子級動力垂直回收和復(fù)用的技術(shù)方案。此外，SpaceX公司創(chuàng)始人伊隆·馬斯克在任務(wù)后的采訪中表示，這次還成功回收了火箭整流罩中的1瓣（整流罩分為2瓣）。

1 關(guān)于此次發(fā)射任務(wù)

發(fā)射概況

此次發(fā)射是SpaceX公司2017年執(zhí)行的第3次任務(wù)，載荷為歐洲通信衛(wèi)星-10，質(zhì)量約為5.3t。

此次發(fā)射任務(wù)中SpaceX公司使用的火箭型號為獵鷹-9v1.2，該火箭從2015年12月開始投入使用，目前官方給出的低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力為22.8t，GTO運(yùn)載能力為8.3t，不過這都是在不回收火箭一子級的情況下，完全一次性使用時的最大運(yùn)載能力。而實(shí)際上SpaceX公司也明確表示，目前6250萬美元的發(fā)射價格對應(yīng)的GTO運(yùn)載能力為5.5t，即在回收火箭一子級的情況下，遠(yuǎn)達(dá)不到其最大運(yùn)載能力。

火箭一子級復(fù)用前的準(zhǔn)備工作

此次發(fā)射使用獵鷹-9火箭一子級的序號為1021號，它曾在2016年4月執(zhí)行的第8次“國際空間站”貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)-8（CRS-8）中利用海上平臺回收，這也是SpaceX公司第一次成功實(shí)現(xiàn)海上平臺的火箭一子級回收。

2016年2月5日，1021號火箭一子級在德克薩斯州的麥格雷戈試驗(yàn)場進(jìn)行了全時長點(diǎn)火試車。在2月8日的一次試驗(yàn)事故中，1021號火箭一子級的所有發(fā)動機(jī)噴管都被損壞，在麥格雷戈試驗(yàn)場完成修繕之后，于3月底運(yùn)往卡納維拉爾角的LC 40發(fā)射工位，并與二子級和“龍”（Dragon）飛船完成裝配。4月5日，獵鷹-9火箭在發(fā)射臺上進(jìn)行整箭點(diǎn)火試車，火箭一子級的9臺發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作3.5s。4月6日，1021號火箭一子級執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，成功完成了CRS-8任務(wù)，并成功實(shí)現(xiàn)海上回收。

回收之后，SpaceX公司將1021號火箭一子級從海上回收平臺卸下，拆卸著陸支架之后，運(yùn)回肯尼迪航天中心LC 39A發(fā)射工位的水平裝配廠房。在水平裝配廠房內(nèi)，SpaceX公司對1021號火箭一子級進(jìn)行大量的檢查和研究，并卸下了火箭一子級上的9臺發(fā)動機(jī)。

最初，SpaceX公司計劃利用1021號火箭一子級進(jìn)行一系列試車（大約10次），以充分研究回收火箭一子級的性能，為重復(fù)使用做準(zhǔn)備。但隨著回收子級數(shù)量的增加，SpaceX公司決定先利用2016年5月執(zhí)行日本通信衛(wèi)星-14（JCSAT-14）任務(wù)時回收的1022號火箭一子級開展試車活動。之所以更換試車對象，是因?yàn)?022號火箭一子級是在高軌發(fā)射任務(wù)中回收的，已經(jīng)達(dá)到了性能和熱防護(hù)的極限，可能很難再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。而且可以在充分利用1022號火箭一子級所達(dá)到的極限條件的基礎(chǔ)上，通過其試車數(shù)據(jù)來驗(yàn)證其他回收火箭一子級的狀態(tài)是否符合要求。

SpaceX公司按照計劃對1022號火箭一子級進(jìn)行了多次試車，獲取了大量關(guān)于回收火箭一子級健康狀態(tài)和性能的數(shù)據(jù)，包括各子系統(tǒng)對于多次點(diǎn)火的響應(yīng)、低溫貯箱多次循環(huán)使用的影響等，對估計各子系統(tǒng)可重復(fù)使用的次數(shù)形成了初步的判斷。當(dāng)然，SpaceX公司得到最重要的結(jié)論是回收的火箭一子級可以復(fù)飛。在1022號火箭一子級完成試車后，歐洲通信公司公布?xì)W洲通信衛(wèi)星-10將采用回收的1021號火箭一子級進(jìn)行發(fā)射任務(wù)。

2017年1月，1021號火箭一子級在德克薩斯州的麥格雷戈試驗(yàn)場成功完成了全時長試車，這是SpaceX公司發(fā)射任務(wù)中的標(biāo)準(zhǔn)流程。之后，1021號火箭一子級被運(yùn)往肯尼迪航天中心，在LC 39A發(fā)射工位的水平裝配廠房內(nèi)進(jìn)行最后的處理流程。

2016年，獵鷹-9在準(zhǔn)備以色列阿莫斯-6衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的地面試車時發(fā)生爆炸事故。此后，SpaceX公司已經(jīng)不再搭載載荷在發(fā)射臺上進(jìn)行全箭試車。2017年3月28日，1021號火箭一子級和二子級的組合體在LC 39A發(fā)射臺上進(jìn)行了時長5s的全箭試車，比以往全箭試車的時間略長。

2 關(guān)于SpaceX公司的重復(fù)使用方案

技術(shù)發(fā)展路線

SpaceX公司成立之初的目標(biāo)就是要打破傳統(tǒng)發(fā)射服務(wù)運(yùn)營商的高昂價格，因此，火箭方案設(shè)計階段就已經(jīng)考慮到了重復(fù)使用的問題。根據(jù)SpaceX公司和美國航空航天局（NASA）在2006年簽訂的太空行動協(xié)議，獵鷹-9v1.0的一二子級都將采用重復(fù)使用設(shè)計，但是并沒有提及具體的設(shè)計方案。2010年獵鷹-9v1.0首飛時，火箭一子級外表面安裝燒蝕材料，內(nèi)部安裝降落傘，試驗(yàn)降落傘回收火箭一子級的方案，但是采用鋁鋰合金結(jié)構(gòu)的火箭一子級在返回過程中因承受不住氣動載荷和熱載荷而解體，傘降回收的嘗試失敗。

隨后，SpaceX公司決定放棄傘降方案，迅速轉(zhuǎn)向有動力的垂直返回技術(shù)。2012年開始利用獵鷹-9v1.0火箭一子級改造的“蚱蜢”（Grasshopper）驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證垂直起降技術(shù)，到2013年10月共進(jìn)行8次飛行試驗(yàn)，對垂直起降技術(shù)進(jìn)行初步驗(yàn)證；2013年初淘汰獵鷹-9v1.0，為垂直回收方案而設(shè)計的獵鷹-9v1.1投入使用，并開始在飛行任務(wù)中驗(yàn)證垂直回收技術(shù)；2014年，利用獵鷹-9v1.1火箭一子級改造的F9R-Dev驗(yàn)證機(jī)完成5次比“蚱蜢”驗(yàn)證機(jī)飛行高度更高的垂直起降試驗(yàn)；2015年開始嘗試?yán)煤Ｉ掀脚_回收火箭一子級，年底實(shí)現(xiàn)陸地回收；2016年，為適應(yīng)海上回收進(jìn)一步改進(jìn)獵鷹-9火箭，推出獵鷹-9v1.2，并成功實(shí)現(xiàn)海上回收；2017年實(shí)現(xiàn)回收火箭的再次發(fā)射。SpaceX公司在垂直起降技術(shù)上成功走出一條“驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證-發(fā)射任務(wù)驗(yàn)證-火箭改進(jìn)-火箭回收”的發(fā)展途徑。

配套設(shè)施建設(shè)

為了配合垂直起降火箭一子級回收方案，SpaceX公司還建設(shè)了多個專用設(shè)施。

（1）麥格雷戈試驗(yàn)場的垂直起降飛行試驗(yàn)平臺

為了開展“蚱蜢”和F9R-Dev兩架驗(yàn)證機(jī)的垂直起降試驗(yàn)，SpaceX公司在麥格雷戈試驗(yàn)場建造了專用的試驗(yàn)平臺。在進(jìn)行“蚱蜢”驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)時，起飛和著陸點(diǎn)相同，平臺面積較小。在F9R-Dev進(jìn)行飛行試驗(yàn)時，SpaceX公司擴(kuò)展了平臺區(qū)域，將其分為發(fā)射區(qū)（發(fā)射臺底座上安裝有固定系統(tǒng)）和著陸區(qū)兩部分。

（2）海上回收平臺

為了實(shí)現(xiàn)在海上回收獵鷹-9火箭一子級，SpaceX公司租賃了3艘駁船，將其改造成海上回收平臺，并稱之為“自主航天港無人船”（ASDS），其中有一艘已經(jīng)退役，現(xiàn)役的兩艘代號分別為“我依然愛著你”（“Of Course I Still Love You”）和“請閱讀說明”（“Just Read the Instruction”），分別用于回收東海岸卡納維拉爾角發(fā)射的火箭以及西海岸范登堡空軍基地發(fā)射的火箭。

海上回收平臺能夠利用GPS定位信息和4個柴油動力的方位推力器進(jìn)行自主控制，可以在風(fēng)暴中將位置精度保持在3m以內(nèi)。除了自主運(yùn)行模式外，該船舶還能進(jìn)行遙控。方位推力器采用噴水推進(jìn)驅(qū)動單元，包括柴油-液力-驅(qū)動動力單元和一個模塊控制器，這些都是由水上設(shè)備制造商圖馬思特公司（Thrustmaster）生產(chǎn)的。

位于上甲板的著陸平臺尺寸為52m×91m。獵鷹-9火箭著陸支架的跨度為18m，火箭返回過程中不僅要受到甲板尺寸的限制，還要受到海浪以及GPS誤差的影響。在火箭進(jìn)行著陸操作時，會在回收平臺附近布置支援船只。火箭一子級著陸后，技術(shù)人員和工程師會登上回收平臺，確認(rèn)火箭的著陸支架固定在船只上，以便運(yùn)回港口。

火箭海上回收平臺參數(shù)

近期，SpaceX公司還對其海上回收平臺進(jìn)行改進(jìn)。平臺中心位置的甲板在回收過程中因燒蝕受損，對此進(jìn)行了更換。另外，最主要的是在平臺上設(shè)置了一臺用于固定火箭一子級的“機(jī)器人”，并在平臺一端的防爆屏障后設(shè)置了一個機(jī)庫，用于存放這臺機(jī)器人。按照推測，在火箭一子級降落在平臺甲板后，固定機(jī)器人會鉆到火箭下方，伸出4個液壓臂，通過夾緊和支撐火箭底部用于安裝發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對火箭一子級的固定。

之所以要對火箭進(jìn)行固定，是因?yàn)榛鸺谥懼筮€存在翻倒的風(fēng)險。2016年1月17日，獵鷹-9v1.1執(zhí)行賈森-3（Jason-3）衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)時，火箭一子級雖然成功降落到了平臺上，但是由于當(dāng)天的大霧天氣導(dǎo)致著陸支架在發(fā)射過程中結(jié)冰，降低了支架強(qiáng)度，著陸后的支架折斷，火箭一子級翻倒在回收平臺上炸毀。2016年5月27日，獵鷹-9v1.2發(fā)射泰國通信衛(wèi)星-8（Thaicom-8），雖然成功回收了火箭一子級，但返回過程中著陸支架緩沖裝置受損，箭體落在平臺上之后發(fā)生傾斜，后來在運(yùn)回港口的過程中也給SpaceX公司帶來了不小的麻煩。

（3）位于卡納維拉爾角的回收區(qū)

為配合卡納維拉爾角進(jìn)行的低軌發(fā)射任務(wù)，SpaceX公司在卡納維拉爾角空軍基地租用了LC 13發(fā)射工位，將其改建為第一著陸區(qū)（LZ-1）。著陸區(qū)直徑228m，中心是一塊61m×61m的硬水泥平臺。

此外，SpaceX公司已經(jīng)向政府提出申請，希望在卡納維拉爾角空軍基地再建設(shè)2個著陸區(qū)，用于同時回收“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭的芯級和2個捆綁助推器。“獵鷹重型”火箭采用兩級構(gòu)型，火箭一子級（芯級）和獵鷹-9相同，捆綁了2枚和火箭一子級相同的助推器。芯級和2枚助推器都可以垂直返回進(jìn)行重復(fù)使用。針對SpaceX公司提出的新著陸臺建設(shè)的申請，美國空軍發(fā)布了環(huán)境評估報告。報告指出，SpaceX公司將在第一著陸區(qū)新建2個著陸臺，分別位于原著陸臺的西北方和西南方，新著陸臺本身直徑85.96m，外圍是寬15.24m的硬土帶，直徑總計116.44m。

（4）回收火箭一子級的處理廠房

2016年，SpaceX公司將回收的火箭一子級都存放到了LC 39A發(fā)射工位的水平裝配廠房內(nèi)，但是隨著該發(fā)射工位投入使用，以及回收火箭一子級數(shù)量不斷增多，存放以及處理的問題逐漸凸顯出來。2017年3月20日，SpaceX公司在卡納維拉爾港租賃了新的廠房，用于存放和處理回收后的火箭一子級。該廠房占地面積約5000m2，租賃時間為5年。此外，SpaceX公司計劃還要再建大約4000m2的廠房。

3 小結(jié)

首先，作為第一家實(shí)現(xiàn)火箭重復(fù)使用的航天企業(yè)，SpaceX公司打開了運(yùn)載火箭歷史上新的篇章。雖然之前航天飛機(jī)的固體助推器也實(shí)現(xiàn)了回收和復(fù)用，但是只能利用回收助推器的一部分重新裝配后再進(jìn)行發(fā)射，而且航天飛機(jī)成本高，維護(hù)周期長，背離了重復(fù)使用設(shè)計的初衷。SpaceX公司則是實(shí)現(xiàn)了整個火箭一子級的回收、復(fù)用和再次回收。盡管該公司還沒有明確重復(fù)使用能夠降低多少成本，但是伊隆·馬斯克在發(fā)射結(jié)束后的發(fā)布會上表示，使用回收火箭一子級的客戶肯定會得到優(yōu)惠，具體價格還在確定中，而且火箭一子級在常規(guī)維護(hù)后可復(fù)用10次，中等規(guī)模的維修后可復(fù)用100次，遠(yuǎn)期目標(biāo)是1000次，并希望把發(fā)射周轉(zhuǎn)時間降低到24h。因此，SpaceX公司的重復(fù)使用方案已經(jīng)在一定程度上達(dá)到了目標(biāo)，而且隨著技術(shù)不斷成熟和穩(wěn)定，未來可能會憑借“獵鷹重型”火箭、“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS）等新型號進(jìn)一步顛覆航天運(yùn)輸領(lǐng)域。

其次，衛(wèi)星運(yùn)營商可能更希望重復(fù)使用帶來更多的發(fā)射機(jī)會。歐洲通信公司的技術(shù)主管哈利維爾在發(fā)射前表示：“這不僅僅是關(guān)于價格問題。重復(fù)使用能夠降低價格嗎？我希望如此。但對于我們而言，重復(fù)使用還意味著進(jìn)入空間機(jī)會的增加?！?017年歐洲通信公司將發(fā)射6顆地球同步軌道（GSO）通信衛(wèi)星和4顆中地球軌道（MEO）通信衛(wèi)星，需要的發(fā)射機(jī)會非常多，各種不確定性因素導(dǎo)致發(fā)射推遲的情況時有發(fā)生，例如獵鷹-9之前因爆炸事故停飛調(diào)查、“第聶伯”（Dnepr）火箭因政治因素暫停飛行、“天頂”（Zenit）火箭由于財務(wù)和多次失敗，發(fā)射服務(wù)已中斷多年。另外，該公司的下一顆衛(wèi)星（歐洲通信衛(wèi)星-15）還在庫魯?shù)却⒗锇?5（Ariane-5）的發(fā)射，因?yàn)榘⒗锇埠教旃疚挥趲祠數(shù)墓鐏喣前l(fā)射場出現(xiàn)了大面積的罷工，已經(jīng)導(dǎo)致阿里安-5的發(fā)射推遲。所以，對于歐洲通信公司這類大型衛(wèi)星運(yùn)營商而言，發(fā)射機(jī)會和發(fā)射價格同等重要，甚至發(fā)射機(jī)會可能顯得更重要。綜上所述，即便火箭的重復(fù)使用不能對價格產(chǎn)生顛覆性變革，但是如果能夠大幅縮短發(fā)射周期，帶來更多的發(fā)射機(jī)會，同樣也會為整個發(fā)射服務(wù)行業(yè)，甚至整個航天產(chǎn)業(yè)帶來更多的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

最后，SpaceX公司一直在不斷的嘗試和失敗中完成技術(shù)的快速迭代更新和積累，同時還在配套設(shè)施方面積極籌備和謀劃，隨時根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行調(diào)整，逐步實(shí)現(xiàn)了火箭一子級重復(fù)使用的目標(biāo)，這種技術(shù)研發(fā)的方式以及整體規(guī)劃上的靈活性非常值得借鑒。

毛凌野/本文編輯