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“獵鷹9”火箭海上回收試驗分析
美國東部時間2016年4月8日,美國SpaceX公司的“獵鷹9”火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射升空,在將“龍”飛船送入預定軌道的同時,火箭一級成功垂直軟著陸于停泊在大西洋的駁船上。這是人類首次在海上回收執行完軌道發射任務的火箭,不僅標志著“獵鷹9”火箭回收技術的進一步成熟,同時也將火箭的可重復使用大大地向前推進了一步。
▲“獵鷹9”火箭成功降落在駁船上
1
任務概括
“獵鷹9”火箭于美國東部時間8日16時43分起飛,其主要任務是執行國際空間站貨物運輸任務,同時進行火箭一級的回收試驗。火箭發射后約9分種,火箭一級順利降落在預定駁船上,火箭海上回收試驗取得成功;發射約10分30秒,“龍”飛船與火箭二級分離并打開太陽帆板,發射取得成功。
▲“獵鷹9”發射及火箭回收試驗
主要目標
一是發射“龍”飛船為國際空間站進行貨物運輸。此次任務是SpaceX公司執行美國國家航空航天局(NASA)國際空間站商業貨運補給合同中的第8次任務(CRS-8)。“龍”飛船的主要載荷為1.7噸的加壓貨物和1.4噸的“畢格羅可擴展活動模塊”(BEAM)太空艙。
表1:飛船攜帶的主要載荷
名稱
數量
“畢格羅可擴展活動模塊”充氣式太空艙
1套
用于測試新型肌肉生長抑制劑的20只活老鼠
1套
維持站上航天員的物資
…………
3個月
BEAM充氣式太空艙是“龍”飛船執行貨物補給任務中運輸的最重的單個載荷,也是此次任務中的又一大“亮”點。BEAM充氣式太空艙重量要比傳統太空艙輕很多,未膨脹展開前體積很小,便于運輸;在太空展開后,其內部容積將擴大到發射時的十倍,內部空間達16立方米,它將與國際空間站進行對接,進行為期兩年的軌道飛行測試,為未來大型BA330甚至BA2100的應用鋪平道路。這項技術未來將被用在遠離地球的深空空間站、太空旅館、月球和火星基地上。
▲BEAM太空艙
二是進行火箭的海上回收試驗。“獵鷹9”火箭一級海上回收也是采用著陸支架和反推發動機的方案,整個回收過程中發動機要進行3次點火:
第一次是調姿點火,將火箭向預定的駁船位置降落。在與二級分離后,火箭一級還在向前飛行,這時“獵鷹9”利用箭載冷氣姿態控制系統并進行發動機點火,使火箭姿態由水平變為垂直,并在下落過程中指向駁船位置。
▲“獵鷹9”發射與海上回收飛行軌跡示意圖
其次是再入減速。在進入稠密大氣層后,火箭發動機將點火進行反推,使一級返回大氣層時速度降至250米/秒。此外,為克服高速側風的影響并準確降落預定地點,采用箭載四片柵格翼確保火箭空氣動力穩定性,每個翼片可獨立運動以控制滾轉、俯仰和偏航,使火箭精確著陸。
最后是著陸點火。在最后階段,位于火箭底部中心位置的那臺“默林”1D發動機將再次點火,將火箭下落速度控制在2米/秒以下,最后火箭底部的四個碳纖維著陸支架打開進行緩沖,實現火箭安全降落。
本次回收的火箭一級將運回發射場進行地面檢測,同時至少進行10次點火測試,隨后將于今年6月再次執行發射任務。一旦發射成功,該火箭一級將成為人類歷史上第一枚執行軌道發射任務的重復使用火箭。
2
海上與陸地回收的主要區別
2015年12月,“獵鷹9”火箭成功實現首次陸地回收,未來的火箭回收也將首選陸地回收,但SpaceX公司仍然堅持不懈地進行海上回收試驗,這并非是技術上的執著,而是有著無法回避的需求。
▲“獵鷹9”火箭陸地回收試驗
與陸地回收相比,海上回收的難度更大,如同“在暴風雨中將掃帚立在手掌上”。這主要是因為:首先,駁船平臺的面積有限,火箭下落出現偏差就可能失敗。其次,火箭為細長型,重心很高,要在波浪起伏的海上平臺上垂直降落并立穩并非易事,不僅天氣狀況要良好,還不能出現高海況,且火箭的著陸時速度也必須非常低。再次,海水的腐蝕特性也會對火箭產生不利影響。
盡管存在諸多不利因素,但是海上回收卻是必須的,這主要取決于運載火箭所攜帶的燃料與運載能力。陸地回收需要火箭“飛回”陸地著陸場,因此需要更多的火箭燃料。一旦發射的載荷重量過重或是軌道更高(如高軌發射任務),火箭剩余的燃料就不足以支撐火箭飛回著陸場。美國大部分運載火箭都需要從東部海岸向東發射,這就決定了最節約燃料的回收方式就是在火箭自然下落的方向上設置回收平臺,因此也就只能在大西洋上進行海上回收。
SpaceX公司官員表示,預計只有一半的發射任務有足夠的燃料可供火箭“飛回”陸地發射場,因此未來計劃三分之一的火箭采用陸地回收,其余都將采用海上回收。此次發射任務剩余的燃料雖然足夠采用陸地回收,但是NASA希望火箭多留一些燃料作為余量,因此只能選擇海上降落。“獵鷹9”還將于4月底進行一次高軌發射任務,由于需要更多的燃料,也只能進行海上回收。
此外,SpaceX公司還在研制“獵鷹重型”火箭,其捆綁的兩個助推器可以返回陸地回收,但芯級飛行時間更長且分離速度更高,要飛回陸地將損失太多的運力,因此只能在海上回收。
3
與藍源公司的對比
▲“獵鷹9”火箭(左)和“新謝帕德”火箭(右)
在SpaceX公司完成“獵鷹9”火箭海上回收的前幾天,藍源公司的“新謝帕德”火箭成功進行了第三次發射與回收試驗。盡管都是采用垂直反推“軟著陸”方式進行火箭回收,但由于“獵鷹9”火箭是為了將載荷送入軌道,而“新謝帕德”只是將太空艙送入亞軌道自由下落獲得數分鐘失重以用于太空旅游或科學實驗,因此兩家火箭的技術水平不可同日而語,“獵鷹9”火箭實現回收的技術更加復雜,其實現難度也更高。
表2:藍源與SpaceX公司近半年火箭回收試驗概覽
藍源公司
SpaceX公司
2015年11月24日,藍源“新謝帕德”火箭飛抵100.5千米高空并成功軟著陸,成為首個越過卡門線(100千米)高度的回收火箭。
2015年12月21日,SpaceX公司成功發射“獵鷹9”火箭,該火箭一級在抵達太空后成功返回大氣層并軟著陸成功,這也是該公司首次實現火箭回收。
2016年1月23日,藍源實現同一枚回收火箭的第二次發射與回收,這也是人類首枚火箭的再次復用與回收。
2016年1月17日和3月4日,SpaceX兩次嘗試海上回收火箭均遭失敗。
2016年4月2日,藍源實現同一枚火箭的第三次發射與回收。
2016年4月8日,SpaceX首次實現“獵鷹9”火箭的海上回收。
首先,兩種火箭的飛行高度和速度不同。由于“獵鷹9” 的最終目標是進入太空軌道,因此其分離速度也比“新謝帕德”大得多,當下降的時候,它的速度自然也很大。“新謝帕德”在其行程中能達到的最大速度是3馬赫,而“獵鷹9”一級的分離速度就已經達到5.5馬赫到7.5馬赫之間。加之“獵鷹9”火箭在回收過程中無法懸停調姿;反之“新謝帕德”火箭具有懸停能力,可以在著陸前充分調整火箭姿態,排除橫風和地面氣流等等的影響,從而穩妥的著陸在地面上,技術難度小于“獵鷹9”。
▲兩種火箭比較
其次,通過對比兩種火箭的箭體結構,就可以發現兩者直徑類似,但“新謝帕德”火箭的長度遠遠小于“獵鷹9”火箭,“獵鷹9”火箭的長徑比較大,加之質量也遠遠大于“新謝帕德”火箭。因此,無論是姿態控制還是著陸,“矮粗”的“新謝帕德”火箭肯定比“細長”的“獵鷹9”面臨的難度小,所需的控制措施也較簡單、更易于實現。
最后,從飛行路線看(如下圖),“新謝帕德”火箭只是垂直上升并下降,類似“二踢腳”,火箭幾乎沒有水平方向的運動,姿態近似一直垂直。而“獵鷹9”火箭為了將載荷送入軌道,不僅有水平方向的運動而且火箭的姿態也是近水平的,還有向回飛的階段(陸地回收方式),姿態控制要求更高。
▲“新謝帕德”火箭(左)與“獵鷹9”火箭(右)陸地回收飛行軌跡示意圖
因此,“新謝帕德”火箭的姿態控制依靠環形翼、楔形鰭等被動措施就可輕松完成;而“獵鷹9”則需要依靠柵格翼等被動措施和冷氣姿態控制系統等主動措施相互配合使火箭轉向以及保持火箭垂直狀態。“新謝帕德”火箭利用頂部制動板就可有效降低下降速度,其發動機只需要點火一次就可實現著陸;而“獵鷹9”火箭為降低下降速度、實現著陸需要發動機點火3次,且每次點火的發動機數量也不同,對發動機重點火和矢量姿態控制要求很高。
結束語
“獵鷹9”火箭一級海上回收試驗的成功,是運載火箭重復使用技術發展的一個里程碑,或將開創世界航天廉價發射的新時代。但是,火箭回收只是實現火箭重復使用的第一步,距離低成本重復使用還有較長的路要走。
首先,經過大過載的發射震動以及高空高速側風的沖擊,火箭本身的結構是否會遭到損害,其可靠性能否支撐再次使用還有待研究和驗證。
其次,低成本重復使用的關鍵是快速的周轉時間和低的整修費用。如果整修費用過高,那么即使能夠重復使用,其總體成本也會難以承受,可重復使用的美國航天飛機最終選擇退役就是例證。雖然藍源公司的“新謝帕德”火箭在4個月的時間內實現火箭的三次重復發射,其整修成本只有約數萬美元,但是“新謝帕德”火箭技術十分簡單,其不具有典型意義。

▼“獵鷹9”火箭海上回收試驗視頻


來源:SpaceX公司網站等/圖片來自互聯網
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