航天器发射技术：火箭回收与再利用

“猎鹰九号”运载火箭是SpaceX设计制造的中型两级运载火箭系列，由同样由SpaceX开发的使用液氧和煤油推进剂的梅林发动机驱动。它是第一枚实现可控陆地和海上垂直着陆回收的运载火箭以及第一枚实现第一级多次重复使用的运载火箭［图5.15（a）］，其低成本、多发并联、可多次使用、垂直回收的设计思路深刻地影响了商业航天时代的运载火箭设计，其极为低廉的发射价格也彻底改变了国际商业航天市场的格局。

“猎鹰重型”运载火箭之前称为“猎鹰九号重型”运载火箭，是SpaceX研发和制造的一款可重复使用的超重型运载火箭，是“猎鹰九号”运载火箭的一个衍生构型，由一个经过强化的“猎鹰九号”中央芯级和两个额外的“猎鹰九号”第一级组成［图1.11（b）、图5.15（b）］。

图5.15　“猎鹰”系列运载火箭的发射和回收

（a）“猎鹰九号”；（b）“猎鹰重型”

1.一级火箭的回收

和现役的其他运载火箭有本质区别的是，“猎鹰九号”是目前全球第一款，也是唯一一款实现第一级回收并重复使用的现役太空轨道运载火箭。

“猎鹰九号”在执行陆地回收程序时，第一级火箭在和第二级火箭分离后会利用氦气调整器调整姿态向后翻转，点燃9台引擎中的1台进行“回推推进”（Boostback Burn），第一级顶部的4个栅格翼会展开调整姿态。进入大气层时会第二次点燃3台引擎进行“再入推进”（Entry Burn）。接近地面时，第3次点燃1台引擎进行“着陆推进”（Landing Burn），打开着陆腿，利用略低于火箭重力的推力反向喷射，实施软着陆。而执行海上回收程序时，第一级火箭不会执行“回推推进”，而是直接进行“再入推进”。“猎鹰九号”回收过程示意如图5.16所示，对于“猎鹰重型”的着陆轨迹请参考图1.11（c）。

图5.16　“猎鹰九号”回收过程示意

“猎鹰九号”1.1版曾在4次发射后进行海上返回试验，前两次因火箭降落速度过快或姿态控制不当而回收失败并坠毁，第三次回收则因“CRS－7”任务火箭第一级爆炸而没有实施。其后SpaceX获得美国联邦航空局批准选择改为在卡纳维拉尔角空军基地新建的“第一着陆场”（Landing Zone 1）（原13号发射复合体）进行陆地回收实测。

2015年12月21日，“猎鹰九号”进行第20次发射，在为Orbcomm发送11颗卫星后，第一级火箭在卡纳维拉尔角空军基地第一着陆场成功着陆，陆上回收试验成功。(www.xing528.com)

2016年4月8日，“猎鹰九号”进行第22次发射，在为国际空间站进行充气式太空舱试验及货物运输补给的任务后，第一级火箭（编号B1021.1）进行第5次海上着陆尝试，第一级火箭在大西洋上的驳船上成功降落，海上回收试验成功。

2017年3月30日，执行“CRS－8”任务的“猎鹰九号”第一级火箭（编号B1021.2）再次发射，首次实现一级火箭的重复利用，并又一次成功回收。

2018年2月6日，“猎鹰重型”首飞成功，3枚推进器中的2枚成功回收。芯级推进器回收失败。当芯级推进器降落到大西洋时，芯级推进器用于减速的3台引擎中仅1台运作，它以约480 km／h的速度坠落在距离无人驾驶驳船100 m远的海中。

2019年4月11日，“猎鹰重型”搭载阿拉伯卫星在肯尼迪航天中心39A号发射工位首次商业发射成功，使用的整流罩为上次“猎鹰重型”测试任务中回收得来的，其中1枚助推器为早前执行过美国新一代载人飞船的无人试飞任务的一级火箭。3枚一级助推器全部回收成功，其中2枚侧助推器回收至肯尼迪航天中心的降落区域，中间芯级回收至无人驾驶驳船上。另外，两半整流罩也被成功回收。因此，“猎鹰重型”的成本可以控制得十分低廉，另外，此次推力相较演示任务有5%的提升，发射的阿拉伯卫星被送入更高的轨道上，因此整体使用寿命有望延长至20年左右。

2.整流罩的回收

有效载荷整流罩传统上是一次性的，它们分离后或者在大气中烧毁，或者在着陆时被摧毁。“猎鹰九号”整流罩的成本约为每次发射600万美元，约占发射总成本的10%。2017年3月，SpaceX首次对整流罩进行了控制着陆，并在姿态控制推进器和可操纵降落伞的帮助下，使整流罩轻轻地降落在海面上，成功回收了一半的整流罩。

此后，SpaceX进一步开发了一种干式回收方法，将整流罩降落在架在一艘配备了动态定位系统的回收船的一张大网上，如图5.17所示，成功实现了整流罩的干式回收。当然，整流罩也同时升级为第2版，满足设计目标“提高发射回收时的生存能力，并在未来的任务中可重复使用”。

图5.17　整流罩回收船

3.二级火箭的回收

尽管SpaceX早前公开声称将努力使“猎鹰九号”的二级火箭也可重复使用，但它已无限期中止了对“猎鹰九号”二级火箭的再利用计划。这主要是因为二级火箭完成推进任务后，其飞行速度已经达到第一宇宙速度，并出了大气层，那它返回时就必然面临气动加热和减速的问题，需要开发返回式隔热罩，并额外携带减速所需的燃料。这存在比一级火箭回收难得多的技术问题，并可能极大地提高发射成本。