火箭如何實現自主返回：導航找到精準落點

本文轉自蝌蚪五譜

北京時間2015年1月6日，SpaceX公司在卡納維拉爾角的空軍基地進行一次前無古人的發射任務，令人遺憾的是“獵鷹9號”火箭在進入倒計時1分鐘內被緊急中止，原因在於火箭上面級推力向量裝置發生了故障，第二次發射日期為當月9日。

“獵鷹9號”火箭其實非常普通，但SpaceX公司賦予了它不走尋常路的特點，這次發射驗證了此火箭的可重覆使用性能，第一級發動機在完成工作后會自主返回，最終垂直降落在位於大西洋預定海域的海上移動平台上。

何為可重覆使用火箭？

可重覆使用火箭屬於能夠被多次使用的航天運載器，在這個家族中除了NASA的航天飛機能夠被重覆使用外，其余的運載工具都無法實現被再次利用。傳統的多級火箭基本屬於一次性使用品，從第一級到上面級，完成使命后就被拋棄了，分離后，發動機也隨之損失。為了降低航天發射的費用，美國與前蘇聯都開啟過火箭重覆使用的計劃，蘇聯在能源號火箭的研製過程中曾提出將RD-0120發動機進行重覆使用驗證，但收效甚微。

美國航天機構在航天飛機固體助推器上實現了重覆使用，通過一系列的起爆分離裝置讓助推器與主體分離，然后開傘濺落。這種方式雖然在一定程度上降低了費用，但可重覆使用性仍然不高，助推器的外殼也會在濺落過程中受海面衝擊而變形。需要注意的是，航天飛機的運行成本較大，已經背離了當初對可重覆使用概念設想，因此研發新一代可重覆使用的航天運載器成了降低入軌費用的最佳途徑。

火箭實現自主返回的技術難點

火箭的可重覆使用性一般從兩個方面入手，第一個是重覆使用發動機；第二個是部分結構或整體可重覆使用。早期火箭設計之所以為一次性使用，是因為重覆使用的經濟性太差，還不如一次性使用劃算，而且重覆使用的技術難度仍然不小。進入21世紀后，火箭發動機技術逐漸成熟，於是SpaceX公司在2012年進行了“蚱蜢”火箭的驗證性試飛，第一次試飛高度僅為1.8米，在空中停留了3秒，證明了火箭垂直降落的可能性。在之后的一年多的時間內，SpaceX公司陸續進行了多次試飛，高度逐漸提升到700多米，並展示出箭體對橫風的控制能力，明SpaceX公司掌握了火箭自主降落的狀態控制技術。隨后我們看到了SpaceX公司設計的陸支架，並安裝在“獵鷹9號”火箭第一級發動機圍周圍。從SpaceX公司的對可重覆火箭的發展歷程上看，實現發動機及其部分結構的可重覆使用是完全可行的。

SpaceX公司通過“蚱蜢”火箭累計了火箭自主降落技術，其技術難點主要集中這幾個方面：

1. 擁有成熟且先進的發動機技術

可重覆使用火箭在返回級降落時需要發動機提供“隨叫隨到”的推力服務，返回過程的程序飛行需要發動機多次開機、關機，停性能必須滿足設計要求，發動機工況也要維持在更高的水平上。尤其是當前發射場基本都建在海岸附近，高鹽、高濕環境對發動機工況的維持其實是不利的，各部件在滿足高速運轉時也要對抗環境的不利因素。

值得一提的是，可重覆使用火箭的返回級發動機還需要保持較高的減損控制率，否則即便返回級安全抵達地面也無法在短時間內投入下次發射，甚至需要進行大修才能滿足發射的要求，這也違背了可重覆使用的初衷。同時還要有一套健康與故障診斷系統來監控發動機的狀態，從而判斷返回后的發動機能否投入下次發射。

“獵鷹9號”上使用的灰背隼-1D發動機被認為是史上最優秀的液體火箭發動機之一，海平面推力為55噸左右，推比達到150，該發動機技術較為成熟，能夠為“獵鷹9號”第一級返回提供較高的安全性和可靠性。灰背隼-1D比此前使用灰背隼-1C型號在推力表現上更強悍一些，單台推力提升20噸以上，推比增加了三分之一，灰背隼-1D在美國德克薩斯州McGregor中心完成了持續點火測試，並獲得進入商業發射的資格。

2. 先進的控制與導航技術

“獵鷹9號”第一級大約在發射后3分鐘完成工作，並與第二級分離，進入自主降落程序。從中可以看出返回級的工作初始高度一般都較高，至少在大氣上層，而且初始速度很大，達到亞軌道飛行的速度值。箭體在返回過程中會經歷短時間的飛行環境劇變，這給控制與導航增加了難度，比如返回級分離后的慣性制導系統加速度計需要快速計算，並在氣動控制較弱的環境下對箭體姿態進行調整，提供高精度的飛行狀態初始信息。如果是完全可重覆使用的返回級，再進入大氣層時就需要精度更高的軌道修正，確保最后能通過無動力滑翔陸。

當返回級進入數千米的高度后，箭體上搭載的雷達高度表開始發揮主要作用，為箭體的狀態控制提供實時且連續的信號，同時配合激光測距儀的工作，最終返回火箭能夠準確找到降落地點，降落在長度大約為90米，寬度為50米的海上移動駁船平台上。

3. 減震性能極佳的陸支撐裝置

可重覆使用火箭使用的返回著陸裝置主要為氣囊式緩衝和陸支架減震模式，這兩者在行星際探測器上比較常見，NASA的兩輛火星車都使用了氣囊式緩衝陸，陸支架減震更是一抓就有一大把，鳳凰號號稱在陸支架上發現了液態水滴狀物質，當時，科學家推測是反推發動機將凍土中的冰水物質加熱，最后附在陸支架上。

“獵鷹9號”上使用了可收放的支撐腿作為著陸裝置，當然這僅限於像“獵鷹9號”這樣的小型返回級，如果是質量更大的返回級，那支撐腿陸方式無法實現足夠的吸能效果。從目前陸裝置的研究來看，液壓式減震緩衝裝置較為可行，能夠實現多次使用，其阻尼系統在多次緩衝后仍然不會受到太大的影響。同時，返回級箭體還可以增加陸支撐點的數量，達到更好的穩定性能。

火箭自主返回有何意義？

SpaceX 公司的“獵鷹9號”是一種能夠實現第一級發動機自主返回的火箭，該公司的目的就是使入軌費用進一步降低。當前，“獵鷹9號”的發射費用在5000萬美元左右，如果使用第一級自主返回，那麼費用則低於這個數字，假如第一級和上面級全部返回，那麼發射單價將更低。按照SpaceX公司對獵鷹家族的計劃表，“重型獵鷹”也將設計成可重覆使用，屆時，商業航天領域將迎來新一輪的洗牌。入軌費用降低后，各種近地軌道業務也會如雨后春筍般湧出，在軌道上建造一個工廠、將月球礦帶回地球、開拓火星航線等等都不再是奢望。