SpaceX回收火箭有多难？中国火箭专家也为之惊叹

本文转载自微信公众号：造就(ID：xingshu100)，演讲者：唐庆博，中国运载火箭技术研究院研究发展中心、高级工程师

我是一个航天人，今天说的是可回收火箭方面的技术。

这几年，国际航天界公认的热点一定是SpaceX公司的Falcon 9可回收火箭技术。

2016年Falcon 9火箭首次实现一子级的回收，2017年SpaceX又首次实现“二手火箭”的成功发射。2018年的时候，它的猎鹰重型火箭首飞成功，同时实现了陆上回收。

2018年5月份，SpaceX最新型的猎鹰9-Block 5火箭发射成功，这种小修状态下可以重复使用10次，大修状况下可使用100次。

SpaceX公司和伊隆•马斯克对技术的探索和对科研的追求一直在感动我们。

人类为什么要探索宇宙?人类是怎么样探索宇宙的?接下来我一一给大家分享一下。

太空探索

我们为什么要来探索宇宙呢，我觉得可以从两个方面来说。

第一，其实太空探索的成果对我们人类的影响是实实在在的，都有很多的好处。比如说如果没有通信卫星的话，大家就收看不到这么多的电视节目;如果没有气象卫星，我们就没有办法对天气进行准确的预报;如果没有导航卫星，我们就不能够便捷地使用手机导航功能。所以说，我们现在的生活基本上已经离不开太空探索的成果了。

第二个，人类探索宇宙的这种追求一直没有停歇过。从康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基到万户飞天，到加加林冲出地球，再到探月、登月，再到探索火星。我们人类实际上是一步一步在对宇宙进行探索。

我们怎么来实现对宇宙的探索呢?我想先给大家解释一下理论上我们是怎么做的。

大家小时候有没有扔过石头，其实我们火箭发射的原理跟这个是一样的——你扔的速度越快，石头就落的越远。火箭也是一样，当它的飞行速度超过第一宇宙速度，也就是7.9千米/秒的时候，就可以围绕地球飞行;如果达到第二宇宙速度(11.2千米/秒)，就可以脱离地球的束缚;如果达到第三宇宙速度(16.7千米/秒)，就可以飞向更远的太空。

实际上我们怎么做呢?这个图是我们目前运载火箭的结构图，整个过程并不复杂，就是通过分级火箭按照“使用-分离-抛弃”的顺序，一级一级地把有效载荷运到轨道上去。

有人就会问，做一枚火箭直接入轨不就行了吗?这其实就叫做单级火箭，但是有一个问题，目前化学燃料的能量水平只能达到五到六千米每秒，而我刚才提到的第一宇宙速度要达到7.9千米/秒。

再举个例子，现在汽车最高的速度也就是100米每秒的水平，火箭入轨的速度最起码要达到汽车速度的79倍，这还是很难的。

另外一个问题，火箭还很贵，每一次都抛掉子级是不是挺浪费?而且在抛的过程中，大家也经常看到新闻，一下就砸到哪了，会产生一些损害;也有可能没掉到地面，再入轨的时候形成碎片，对整个轨道产生一些危害。

很多科学家就在想，能不能把火箭收回来再次利用?实际上几十年来各个国家的科学家都一直在做这个事情，尤其以SpaceX取得了非常好的成绩。

Falcon火箭的飞行轨迹是怎样的呢?

我以它执行第一地球轨道任务为例解释一下。火箭起飞之后到140多秒的时候，高度是60公里左右，这个时候它的速度就比较快了，已经达到6个马赫。这时候它的一子级就关机和二子级分离，之后发动机喷口朝着回收点的方向，做第二次点火，来减小飞行的速度。

当飞行高度达到70公里左右，一子级上的栅格翼打开，它的作用有两个，一是利用气动进行减速，第二是对姿态进行控制。

接下来还有第三次点火，快到着陆点的时候就进行第四次点火，使速度降到5米每秒，着陆缓冲支撑腿再打开。最后也是最惊险的环节——垂直落在地面上。

这个过程说起来好象也挺简单的，可是Falcon火箭实现海上回收之前失败了四次，这种执着的精神着实让我们很感动。同时也说明这个事还是挺难的，难在哪呢?

第一个难点，就是加了回收这一步骤，所以火箭的总体参数优化和设计变复杂了。回收过程中首先它需要有一定动力，也就需要携带一部分的推进剂。在它落地过程中，气动加热会导致子级外壳出现一定的损失，这时候需要相应的增重一些，而且可能需要对下落的弹道进行调整。所以它是一轮一轮进行迭代。

打个比方，这就好像是又要马儿多扛货物，又想让它本身体重轻，所以整个过程是挺复杂的。

第二个难点，整个垂直返回的精度控制要求高。可以把回收的过程比喻成一个动作——你手上有一支铅笔，要把这个铅笔抛出去，而且要让它垂直落在一个点上。

大家可以想，这个过程中可以分成两个阶段：一个是抛出去以后要准确找到那个点，这个对整个过程中的导航制导精度要求比较高;第二它快要落地时候要垂直下来，不能倾倒，这对它本身姿态的控制要求比较高。

第三点，火箭子级落地过程中，要对它本身的推力进行调节，有时候需要从60%调节到110%，调节范围是比较宽的。

第四个是推进剂的管理难度大，它下来的时候，实际上是“半桶水”或者更少，这里有一个控制的问题。

第五个是着陆时候的缓冲问题。Falcon火箭配了缓冲的装置，它起的作用是三个，第一个是防止倾倒，第二个是缓冲着陆，第三还要忍受发动机喷射的高温。

总的来说，火箭的回收确实是挺有意思的一个事。但是它也有缺点，其中很大的一个缺点就是火箭子级回收的时候，它的运载能力损失比较大。我们也计算过，如果它返回到原发射场的话，整个运载能力的损失可以达到52%，如果是就近回收，运载能力损失有28%。

实际上各国科学家也在想一些别的回收方式，总的来说各有利弊，我想不久的将来也可以看到更多样的成果。

去年SpaceX还提出了星际运输系统，用来进行火星探测，我们业内觉得这是一个很庞大的系统。

举个例子，它本身的助推级叫BFR，号称重复使用次数达到1000次，但是它的起飞重量是10500吨。这是什么概念呢?目前人类制造过的起飞重量最大的运载火箭，也只有3000多吨，助推级是它的三倍。

刚才说了Block5火箭的重复使用次数只有10次，它现在要做到1000次。运载火箭以后要完成1000次回收，可能它的结构就像飞机一样，能反复地使用。

我希望跟大家一起继续享受这些技术的创新和宇宙探索带给我们的快乐。