電子號(hào)火箭回收“空接”換“海撈”初獲成功

7月18日，火箭實(shí)驗(yàn)室公司的電子號(hào)小型運(yùn)載火箭執(zhí)行了第39次發(fā)射。此次發(fā)射中，火箭成功將7顆小衛(wèi)星送入太陽(yáng)同步軌道。但本次任務(wù)中最受關(guān)注的并不是載荷，而是該公司首次采用“箭體傘降、緩降落海、船只打撈”的新方案嘗試回收火箭一級(jí)。

電子號(hào)火箭點(diǎn)火起飛

回收方案大改

“電子號(hào)”是一款高18米、直徑1.2米、起飛重量12.5噸、低軌運(yùn)力僅有300公斤的兩級(jí)小型運(yùn)載火箭。該火箭原始設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)的一次性運(yùn)載火箭，然而受近年來(lái)火箭回收風(fēng)潮的影響，火箭實(shí)驗(yàn)室于2019年決定采用“降落傘緩降+直升機(jī)空中捕獲”的方式進(jìn)行回收。由于“電子號(hào)”是液體運(yùn)載火箭，采用碳纖維復(fù)合材料貯箱，不同于航天飛機(jī)時(shí)代曾采用傘降落?；厥盏匿摎す腆w助推器，落海的沖擊和水中的鹽分都有可能對(duì)“電子號(hào)”的貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)和航電設(shè)備造成損傷和腐蝕。因此火箭實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)評(píng)估后，一直力圖從空中捕獲火箭，從而減少?gòu)?fù)用翻修的工作量。

此后，經(jīng)過(guò)為期3年的再入防熱、傘降控制、直升機(jī)跟蹤等各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，火箭實(shí)驗(yàn)室在2022年，兩次嘗試使用直升機(jī)機(jī)體下方的專(zhuān)用捕獲鉤“攔截”箭體。2022年5月的首次試驗(yàn)中，直升機(jī)成功捕獲箭體，之后應(yīng)將箭體投放至專(zhuān)用回收船上，但捕獲后直升機(jī)機(jī)組發(fā)現(xiàn)下方懸吊的箭體與之前模擬箭體重量不同，安全起見(jiàn)機(jī)組只能切斷繩索，讓箭體墜落水面，試驗(yàn)宣告失敗。2022年11月，第二次試驗(yàn)中箭體遙測(cè)信號(hào)丟失，安全起見(jiàn)火箭實(shí)驗(yàn)室只得再次放棄回收，試驗(yàn)再次失敗。

兩次失敗的試驗(yàn)結(jié)果，加上對(duì)落海后打撈箭體的評(píng)估分析，2023年火箭實(shí)驗(yàn)室毅然決定直接放棄高風(fēng)險(xiǎn)的空接環(huán)節(jié)，直接在此次發(fā)射中改為嘗試“傘降緩落+海上打撈”的新回收模式。此次發(fā)射的火箭升空約兩分半后，一二級(jí)按發(fā)射程序正常分離，二子級(jí)點(diǎn)火后繼續(xù)正常執(zhí)行任務(wù)。而一級(jí)關(guān)機(jī)分離后開(kāi)始下降，首先打開(kāi)引導(dǎo)傘穩(wěn)定箭體姿態(tài)，隨后降落傘打開(kāi)，減緩箭體下落速度，同時(shí)攜帶的信標(biāo)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)送箭體坐標(biāo)。

箭體平穩(wěn)落水后，專(zhuān)用回收船將其成功打撈，試驗(yàn)宣布成功。火箭實(shí)驗(yàn)室表示，打撈后的火箭一級(jí)狀態(tài)良好，不過(guò)尚不能給出實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的時(shí)間表，在后續(xù)進(jìn)行若干次相關(guān)試驗(yàn)后，有望在今年晚些時(shí)候先行實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的回收復(fù)用。

空接方案歷史悠久

早在冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)國(guó)家偵察局研發(fā)鎖眼系列偵察衛(wèi)星，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，“鎖眼”早期型號(hào)的遙感圖像只能儲(chǔ)存在特制膠卷中，并放置在小型返回艙內(nèi)，拍滿(mǎn)后返回艙與衛(wèi)星分離并再入大氣層，返回艙打開(kāi)降落傘后即由改造的固定翼飛機(jī)在空中捕獲。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，空中捕獲方案受制于落區(qū)天氣、飛行員操作水平等不可控因素影響，回收成功率不足70%。而電子號(hào)火箭一級(jí)無(wú)論是體積、重量都高于鎖眼返回艙，其回收難度更高，所以火箭實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)失敗也是情理之中。

有“鎖眼”返回艙的“教訓(xùn)”在前，火箭實(shí)驗(yàn)室為何還采用這種方案呢？業(yè)界普遍認(rèn)為，這是火箭自身體量和技術(shù)水平掣肘下的無(wú)奈之舉。若采用獵鷹9火箭垂直起降方案，不僅需要增設(shè)多種設(shè)備，還需要預(yù)留回收反推用推進(jìn)劑，使有效運(yùn)力驟減。所以，火箭實(shí)驗(yàn)室不得不另辟蹊徑。

不僅如此，“電子號(hào)”采用電池驅(qū)動(dòng)的電泵循環(huán)，而且為減輕死重，采用了上升段電池可拋的設(shè)計(jì)，如果改為垂直起降方案，發(fā)動(dòng)機(jī)就必須重復(fù)啟動(dòng)并維持工作。為保證反推時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，貯箱也需要額外的推進(jìn)劑沉底改造，這就不得不對(duì)“電子號(hào)”的原設(shè)計(jì)進(jìn)行大刀闊斧的修改。這些變更不僅有可能拖慢“電子號(hào)”的發(fā)射頻度，還有可能影響型號(hào)成功率。根據(jù)消息，“電子號(hào)”配備傘降回收設(shè)備將導(dǎo)致10～15%的有效運(yùn)力損失，運(yùn)力下降幅度確實(shí)少于垂直起降。

在2022年兩次失敗的空中捕獲嘗試后，火箭實(shí)驗(yàn)室重新評(píng)估了其風(fēng)險(xiǎn)和難度，尤其是空中捕獲失敗落海的火箭經(jīng)過(guò)打撈和評(píng)估后，公司認(rèn)為落海的火箭狀態(tài)也可以接受，甚至聲稱(chēng)部分零部件已具備重復(fù)使用的條件。因此2023年3月，火箭實(shí)驗(yàn)室明確表示將放棄直升機(jī)空中捕獲的方案。他們還為火箭回收船增配了新的起重機(jī)和平臺(tái)，以減少將火箭從海面提升時(shí)受損的可能。

火箭實(shí)驗(yàn)室通過(guò)傘降濺落成功回收了火箭一級(jí)

垂降并行研發(fā)

除了回收船的改進(jìn)，火箭實(shí)驗(yàn)室還在箭體結(jié)構(gòu)中加入了額外的防水材料，并強(qiáng)化了航電艙和發(fā)動(dòng)機(jī)的密封結(jié)構(gòu)。公司認(rèn)為，結(jié)合海況和任務(wù)性質(zhì)，僅有50%的發(fā)射可以開(kāi)展空中捕獲，而改為落海打撈后則可提升至70%。公司表示，雖然落?；厥諘?huì)導(dǎo)致部分零部件無(wú)法復(fù)用，但是對(duì)比直升機(jī)空中捕獲的費(fèi)用和成本，兩者的經(jīng)濟(jì)性基本持平。

此外，公司后續(xù)將根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和客戶(hù)要求，僅在部分任務(wù)中使用復(fù)用火箭。這一說(shuō)法與2017年獵鷹9火箭剛開(kāi)始復(fù)用發(fā)射時(shí)類(lèi)似，但事實(shí)上隨著回收火箭可靠性的不斷累積，SpaceX公司逐步擴(kuò)大復(fù)用火箭的適用范圍，現(xiàn)已在軍用、商業(yè)、載人任務(wù)中普及使用復(fù)用火箭。

雖然火箭實(shí)驗(yàn)室在傘降回收模式上漸入佳境，但并不代表他們要在傘降方案上“一條路走到黑”。2022年，火箭實(shí)驗(yàn)室宣布研發(fā)名為“中子號(hào)”的新型火箭，該火箭高43米，直徑7米，起飛重量480噸，最新的近地軌道運(yùn)力為13噸。其體量顯然遠(yuǎn)超現(xiàn)役的電子號(hào)火箭，隨之而來(lái)的就是“中子號(hào)”進(jìn)行傘降回收的難度陡增，因此公司在發(fā)布會(huì)上明確表示，“中子號(hào)”采用類(lèi)似獵鷹9火箭的垂直起降方案。

但為體現(xiàn)差異化，火箭實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一個(gè)超長(zhǎng)的一級(jí)箭體，整流罩直接設(shè)置在一級(jí)頂端，形成了“罩箭一體”的方案，而火箭二子級(jí)和載荷則被整體包裹在超長(zhǎng)整流罩內(nèi)，變成了類(lèi)似“半人馬”的“罩內(nèi)上面級(jí)”。如此一來(lái)，火箭一級(jí)和整流罩就可以一次性整體降落在回收平臺(tái)上，而不必分別實(shí)施回收。2023年，火箭實(shí)驗(yàn)室公開(kāi)展示了多項(xiàng)“中子號(hào)”的研制進(jìn)展，可見(jiàn)垂直起降方案也在研發(fā)中。

總的來(lái)講，“電子號(hào)”回收方式的這輪優(yōu)化迭代不失為一次火箭復(fù)用的有益嘗試，正所謂“一枝獨(dú)秀不是春，百花齊放春滿(mǎn)園”，越來(lái)越多的火箭回收方式使復(fù)用理念得到了前所未有的普及。但也應(yīng)看到，傘降回收方案對(duì)火箭自身規(guī)模、海況、安全性的限制，使其短期難以撼動(dòng)已經(jīng)成熟的垂直起降回收方案。

不過(guò)，常言道“存在即合理”，這種方式也有投入少、技術(shù)門(mén)檻低的顯著優(yōu)點(diǎn)。理論上傘降回收僅需傘艙、定位信標(biāo)和一艘回收船即可開(kāi)展，雖然落海導(dǎo)致的翻修和密封工作量驟增，但該方法仍不失為同類(lèi)小型運(yùn)載火箭降本增效的另一蹊徑。（作者：田豐 圖片來(lái)源：火箭實(shí)驗(yàn)室 把關(guān)專(zhuān)家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）