回收一枚火箭，總共分幾步？

我說咱們北斗系統(tǒng)建成了，你說人家火箭能回收。我說咱們空間站建成了，你說人家火箭能回收。我說咱們從月球上挖土回來了，你說人家火箭能回收，我說咱們馬上要載人登月了，你還說人家火箭能回收。那好吧，今天是巡天之箭系列的最后一集，今天咱們說說火箭回收的那些事。

早期火箭回收

其實早在人類探索太空的早期，回收火箭就是一個美好愿望了。二戰(zhàn)結束之后，美國用從德國弄來的V-2導彈進行了一系列的飛行試驗，然而，弄回來的導彈它有數啊，試一次少一次，他們就想著，我能不能給它加個降落傘讓它緩緩落地，而不是砸到地上？但理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。當時V-2下落的速度太快，降落傘一放出來，就不出意外地被撕成了碎片，并不成熟。

再后來，美蘇之間在航天方面展開了你追我趕的星球大戰(zhàn)，這個時候兩個國家都在不計成本地追求第一，第一顆人造地球衛(wèi)星，第一艘載人飛船，第一次太空行走，第一次載人登月，第一個空間站，等等，至于花多少錢？不在乎！而到了后來，阿波羅計劃的成功讓美國人在太空競賽當中取得了客觀的領先，在他們歡呼雀躍的同時，看了一眼賬單，額……有點肉疼。

于是，他們就開始嘗試重復使用的火箭——航天飛機。聽我上面這句話是不是有點別扭？到底是火箭啊還是飛機??？事實上，我們可以把它看成是一個飛機型的火箭，它在起飛時使用的動力，是中間的三臺液氫液氧火箭發(fā)動機，和旁邊的兩臺固體火箭發(fā)動機，所以當然是火箭。而在返回的時候，它就像一架飛機，或者準確來說是滑翔機一樣，滑翔著陸到機場跑道上。而它兩邊的助推器則是用降落傘進行回收，至于中間抱著的大罐子，那是航天飛機系統(tǒng)里面最便宜的部分，基本就只是個罐子，于是就不回收了。

在美國人的設想中，航天飛機每一架可以重復使用100到150次，相當于攤到每一次發(fā)射來說，制造成本都會只有100到150分之一，怎么想怎么省錢，金牛座做夢都會笑醒的那種。但是一用起來之后發(fā)現(xiàn)，完蛋，這是個載人航天器，比一般的火箭要求高的多，系統(tǒng)也復雜的多，以至于雖然可以回收，但回收之后的維護成本高得離譜，不亞于再造一個一般的普通火箭。而且航天飛機的空重就有70噸左右，這70噸橫豎都要進太空，在一般火箭那兒，都要被算進有效載荷的。也就是說，不管我要再帶點兒什么進去軌道，都得先考慮把這70噸送上去，就類似一個重型卡車，我要是用它拉很重的東西，比如空間站的構件進入太空的話，是劃算的，但如果只是送幾個人進空間站，那就好比是開重卡出去買菜，劃不來了。所以最后，航天飛機并沒有省錢，沒有一架用到了100次，能上太空的5架加一塊兒才用了135次，還炸了兩架死了14個人，又費錢又費命。

垂直落地技術

雖然航天飛機沒有達到預期的摳門目的，但航天人摳門的目標不會變，在航天飛機退役的同一時期，美國的SpaceX公司開始嘗試讓火箭自己控制自己垂直落到地上，既不需要像飛機那樣的跑道，也不需要降落傘。當然，這并不是他們首創(chuàng)的技術，早在1993年，麥道公司就造過一發(fā)火箭叫“三角快帆”，它可以垂直起飛，然后再垂直落下，證明了火箭是可以控制自己立在地上的。其他需要解決的問題就是，讓要回收的火箭跟上面的部分分離之后，自己飛到著陸的地點，減到足夠小的速度，再瞄準著陸點。

我們都知道，目前SpaceX公司已經比較成熟地完成了以上這個過程，而他們使用的就是獵鷹九號火箭，它是一種兩級火箭，只有第一級會進行垂直回收。它的一級有九臺“梅林”液氧煤油火箭發(fā)動機，在起飛的時候，九臺同時工作，提供足夠的起飛推力。在大約兩分半之后，第一級的九臺發(fā)動機會同時關機，而后一二級分離，二級點火，一級踏上回收之旅。

大家注意一件事，從這時候開始，一級是否可以成功回收，跟它的發(fā)射的載荷是不是安全入軌已經沒有關系了，一級火箭回收的心理壓力是不是小很多？回收成功了就算賺的，不成功大不了跟市面上別的火箭差不多嘛。而像航天飛機，它得囫圇個回收，還是跟人一塊兒回收，回收過程是不敢出一點差池的，壓力山大，這也是SpaceX可以在前面一直回收、一直失敗、積累大量經驗快速迭代產品的一大原因。

在開始回收的時候，獵鷹的一級火箭的燃料已經消耗的差不多了，所以重量比較輕，并不需要很多推力就可以實現(xiàn)它的減速和著陸。事實上，它保留下來的用于著陸的燃料只有6%到10%，所以在與第一級分離之后，只要9臺發(fā)動機中的三臺工作，就可以實現(xiàn)火箭的減速。陸地回收和海上回收第一級的飛行彈道有所不同，但都需要三臺發(fā)動機多次開關機工作來進行減速。而到了最后落地的時候，火箭的重量會更輕，這時只要一臺發(fā)動機工作就可以了。

垂直回收關鍵技術

在以上這些過程中，有一些關鍵技術，比如如何讓火箭飛到預定的著陸區(qū)，除了火箭發(fā)動機的控制以及側面的噴氣控制之外，獵鷹九號還使用了咱們前面講過的柵格舵，這種東西讓火箭在大氣層以內飛行的時候可以獲得很大的控制力，并且有效減速。因為火箭回收的時候是屁股向下掉的，飛行方向跟發(fā)射時候剛好相反，所以這個柵格舵在發(fā)射時候是折起來不起作用的，回收下落的時候再展開，目前雖然我們中國還沒有實現(xiàn)火箭垂直回收，但是在2019年的時候，已經預先使用這個柵格舵進行了火箭一級的落區(qū)精確控制實驗，其實也就是那個讓火箭飛到指定著陸區(qū)的部分。

而接下來要解決的，是讓發(fā)動機給火箭減速，從剛才對于獵鷹九號發(fā)射和回收過程的描述中大家可以看出來，在這種火箭的任務里面，一級發(fā)動機要開機關機好幾次，這叫做多次點火技術。在那種掉落過程中，燃料箱里的燃料可能會晃蕩，不沉底，導致燃料供應出現(xiàn)壓力不足甚至中斷，還需要穩(wěn)定可靠的火苗子來進行多次的點火，這些都是多次點火技術中的重點難點問題。

而在充分減速之后，想要火箭以非常低的速度落在地面上，火箭發(fā)動機的推力需要非常精準地進行比較大范圍的調節(jié)。比如獵鷹九號的梅林發(fā)動機，它的推力就可以在60%-100%之間進行調節(jié)。在火箭發(fā)動機那一期節(jié)目里面我們說過，液體火箭發(fā)動機的推力調節(jié)相對簡單，多給點燃料推力就大，少給點推力就小，但這只是相對于固體火箭發(fā)動機來說，如果要實現(xiàn)大范圍的精確調節(jié)的話，液體火箭要解決的問題也不少。比方說所需要的推力不同，送進燃燒室的燃料流量就不同，燃燒室的壓力也不同，這時候把燃料噴進燃燒室的這個噴頭必須要跟燃料流量一級燃燒室壓力配合，否則就可能出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定。此外，渦輪泵，推力調節(jié)器這些機構的配合也需要精準，而推力室和噴管的設計還需要能夠適應不同推力下的燃燒狀態(tài)。這些是推力調節(jié)的技術難點。

除此之外，著陸機構也是一項關鍵技術，對于獵鷹九號來說，它的著陸機構就是那三條可以折疊的腿，用這樣的腿著陸，姿態(tài)精度要相對較高，落地要盡可能輕柔，還要讓這樣的折疊機構在上天落地的過程中不會被氣動、高溫、振動給整壞了，這也是挑戰(zhàn)，所以除了用腿站在地上之外，現(xiàn)在工程師還開始用其他的方案，比如SpaceX的星艦系統(tǒng)，預計就會使用兩個回收臂來對火箭的柵格舵進行支撐，就像用筷子夾住一根火腿腸一樣，而我們國家的重復使用火箭方案中，還考慮過用四根繩索支撐火箭來進行回收。這樣的方案可以讓火箭上面的活動部件減少，增加可靠性，另外對著陸時的推力控制要求也會降低，因為回收攔阻機構會再對火箭進行緩沖和減速。

讓使用火箭更方便

目前看來，spacex公司的獵鷹火箭的確大幅度減小了航天成本，但他們的目標還遠不止如此，他們想讓使用火箭像使用飛機那樣方便，落地，加燃料，然后繼續(xù)飛。而目前的獵鷹火箭在回收之后依然需要進入廠房進行翻修和清洗。其中一個比較大的原因就是，它使用的液氧煤油發(fā)動機會產生結焦，也就是類似我們開車時候的那個積碳，于是每次發(fā)射完之后都需要清理。而正是為了方便清理，讓發(fā)動機結構更簡單，它使用的發(fā)動機循環(huán)方式也是比較原始，效率較低的開式循環(huán)。

為了讓火箭在兩次發(fā)射之間不用進廠拆解、清理、檢修，人們把目光集中在了液氧甲烷發(fā)動機身上，這種發(fā)動機不結焦，回收回來幾乎就可以立刻繼續(xù)使用，因此，在SpaceX公司的星艦還有他的助推器上，就使用了這種火箭發(fā)動機，并且通過閉式循環(huán)，提升了它的效率。另外，我國的藍箭航天等企業(yè)也在研究液氧甲烷發(fā)動機，藍箭還是世界上第一個用這種發(fā)動機將有效載荷打進近地軌道的團隊。由此可見，這種發(fā)動機也許會是未來航天人的主要賽道之一。

回顧人類航空史，從跌跌撞撞起飛，到客機遍布世界各地服務尋常百姓，不過幾十年的時間，航天技術在未來也一定會因為技術的成熟，成本的降低，走入和改變更多尋常百姓的生活。從殺人惡魔到星際列車，人類的先進技術一開始往往始于殺戮，但它只有能夠造福更多的人，這項技術才會有真正的意義。

講到這里，我們的巡天之箭系列節(jié)目就全部結束了，希望通過這六集節(jié)目，能讓你掌握探索星辰大海的基本原理，我是茍勝，帶給你硬核又有趣的航空航天知識，點贊加關注就可以下課了。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者|梁毅辰（茍勝老師）西安航空學院講師

審核|周炳紅 中科院國家空間科學中心研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司