一、美國典型可重復使用火箭進展概況
商業(yè)可重復使用火箭關鍵技術與創(chuàng)新
楊浩亮1 楊毅強2 廉潔2 邵旭東1 王瑀寧1
1.北京中科宇航技術有限公司；2.中國科學院力學研究所
近8年來，美國太空探索技術（SpaceX）公司的“獵鷹”9火箭憑借著超高的運載效率和可重復使用技術，在世界運載領域獨樹一幟。隨著航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研制低成本、高可靠、使用方便靈活的可重復使用運載器是下一階段航天技術發(fā)展的重要方向之一，而突破可重復使用關鍵技術是發(fā)展可重復使用火箭的前提條件。本文將對目前典型可重復使用火箭的概況進行介紹，并論述可回收火箭的關鍵技術。
一、美國典型可重復使用火箭進展概況
各國和相關航天企業(yè)深刻意識到高效的運載效率和可重復使用技術已成為下一代火箭的重要研制目標。在可重復使用火箭方面，典型代表還是美國的“獵鷹”（Falcon）系列、“人族”（Terran）系列和“大獵鷹火箭”（BFR）系列。
“獵鷹”9是SpaceX公司的主力型運載火箭，其顛覆式的一子級和整流罩回收在全球引領了運載火箭研制模式的改變。截止到目前，“獵鷹”9已完成180多次發(fā)射，復用火箭發(fā)射也已超過10次。火箭的箭體直徑為3.66m，高度為70m，火箭的總質量為550t，低地球軌道（LEO）的運載能力為22.8t，地球同步轉移軌道（GTO）運載能力為8.3t，精細化的設計可使其一級的結構效率達到0.95，二級結構效率達到0.97。一級發(fā)動機“梅林”1D推力可達845kN，真空推力914kN，推重比可高達160：1，每千克有效載荷發(fā)射費用約為0.14萬美元。2022年10月6日，SpaceX的兩枚“獵鷹”9堪稱真正的背靠背發(fā)射，發(fā)射間隔僅為7h10min，一舉創(chuàng)下自家發(fā)射最短時間間隔紀錄。
雖然SpaceX在復用一級助推器和整流罩情況下，單次發(fā)射成本降到了1500 萬美元，但在2022年出現(xiàn)了相對有競爭力的對手，那就是美國相對論空間公司開發(fā)的“人族”系列運載火箭。其即將首飛的“人族”1運載火箭高約33.5m，能將最大1250kg的有效載荷發(fā)射至185km的LEO，將900kg的標稱有效載荷發(fā)射至500km的太陽同步軌道（SSO）。發(fā)動機采用燃氣發(fā)生器循環(huán)、自增壓和燃氣火炬式點火。每臺發(fā)動機均由液氧和甲烷推進劑提供動力。一子級Aeon 1發(fā)動機推力可達110kN，二子級Aeon Vac發(fā)動機推力可達132kN。目前Aeon發(fā)動機完成了300多次點火試驗。其可重復使用構型“人族”R火箭，配備了7臺3D打印的Aeon R火箭發(fā)動機，每臺發(fā)動機的推力為135kN，“人族”R將能向近地軌道發(fā)射20t以上的有效載荷。
目前，SpaceX公司正在研制BFR超級火箭，高度約為81m，直徑12m，安裝42臺“猛禽”發(fā)動機，起飛質量超過8000t。BFR的開發(fā)測試理念是“測試、飛行、失敗、修復、重復”，原型開發(fā)測試從2018年12月開始，至今已經(jīng)建造并測試了20多個原型。其“猛禽”發(fā)動機是全流量循環(huán)發(fā)動機，使用液態(tài)甲烷+液氧，具有高可靠性和低成本的優(yōu)勢，推力面積比最高，1.3m噴管直徑能提供2000kN以上的推力，且造價低于220萬美元，是完全為重復使用優(yōu)化的發(fā)動機。截至2022年11月，SpaceX公司的“星艦”S24和“超重型”B7終于再次“合體”。“合體”之后，首先是要對發(fā)射塔的快速斷開（QD）接口進行測試，然后就是S24加注液氮的低溫測試、燃料加注測試，最后就是靜態(tài)點火。
二、可回收火箭關鍵技術
與傳統(tǒng)的運載火箭相比，可重復使用火箭主要有以下關鍵技術需要攻克。
（一）可重復使用總體設計技術
全流程不僅涉及發(fā)射上升段，還涉及到回收返回段。返回過程涉及到總體、彈道、氣動、控制、載荷、防熱、結構等多個專業(yè)，各專業(yè)之間耦合強、相互約束，設計約束更嚴格。對于帶控制子級回收過程，需要開展控制方案設計和一子級的輔助動力裝置設計，如柵格舵。從趨勢上看，總體設計還需考慮全壽命周期的系統(tǒng)融合設計，采用智能技術，提高火箭的智能化水平，有利于重復使用運載火箭結構效率的提升。同時，運載火箭在回收飛行過程中會承受復雜多變的力、熱環(huán)境，特別是在一子級著陸、二子級再入大氣層中都會經(jīng)受嚴酷的飛行環(huán)境條件，精確辨識與預示從飛行過程到返回過程中的力、熱環(huán)境對于加深可回收運載火箭的力學環(huán)境認識具有重要意義。
（二）可重復使用火箭發(fā)動機技術
返回時發(fā)動機多次起動需克服失重、超重、高動壓等復雜飛行環(huán)境帶來的各種內(nèi)、外部干擾，發(fā)動機多次起動及推力精確調節(jié)技術研究是實現(xiàn)火箭回收的基礎。運載能力由發(fā)動機最大推力保證，為確保火箭平穩(wěn)返回及著陸，需降低發(fā)動機推力。解決措施是采用發(fā)動機多機并聯(lián)技術，起飛時全部發(fā)動機額定工況工作，返回時關閉部分發(fā)動機。在有限的箭體空間內(nèi)進行多機并聯(lián)，涉及箭體、結構、機構運動、熱防護等多個專業(yè)協(xié)同設計，還需全面考慮著陸沖擊、防火、返回后維護、檢修等全壽命周期涉及的技術問題。多機并聯(lián)總體布局優(yōu)化可提高發(fā)動機推質比，有利于重復使用運載能力提高，降低維護、檢修時間和費用。
回收落地關鍵時刻，需要發(fā)動機快速變推力關機，以減小落地瞬間發(fā)動機后效沖量對箭體的沖擊和擾動。“獵鷹”9完美實現(xiàn)可靠回收的關鍵技術之一就是采用了面關機針栓式噴注器技術。采用面關機針栓式噴注器可實現(xiàn)發(fā)動機起動過程氧燃推進劑零充填使氧燃推進劑完全同步進入燃燒室，避免氧燃充填時序偏差對發(fā)動機起動沖擊影響，提高發(fā)動機起動工作可靠性；同時，面關機可實現(xiàn)發(fā)動機關機過程零容腔排空，顯著提高關機響應特性，實現(xiàn)快速關機減小后效沖量，提高火箭回收工作可靠性；采用針栓式噴注器，發(fā)動機可進行大范圍變工況，能夠更好地適應火箭回收工作。
多次點火可重復使用發(fā)動機，在整個壽命周期內(nèi)均需要進行不同級別的故障診斷和健康評估工作，主要研究內(nèi)容包括：開展發(fā)動機試車及火箭飛行信號的速變信號先進分析技術，實現(xiàn)發(fā)動機典型系統(tǒng)的異常檢測和故障判別；開展發(fā)動機速變與緩變信號的多物理場信息融合技術，有效減小故障誤診率和漏診率，獲取可重復使用發(fā)動機試車及火箭回收后的典型異常判別、故障定位和可重復使用決策；開展飛行試驗階段的發(fā)動機健康狀態(tài)評判應用研究，能夠基于遙測信號準確有效判別發(fā)動機全系統(tǒng)的健康狀態(tài)；開展液體火箭發(fā)動機速變信號及緩變信號融合的健康評估軟件開發(fā)，能夠為發(fā)動機試車/火箭飛行后故障診斷及健康分析提供方法。
（三）可重復使用控制制導關鍵技術
垂直起降運載器再入返回過程中經(jīng)歷多個飛行段，全程高精度導航系統(tǒng)的設計需要綜合考慮導航精度、觀測條件、安裝位置及大氣和發(fā)動機噴氣尾焰擾動等使用環(huán)境限制，可采用天文導航、視覺輔助、激光雷達及衛(wèi)星導航地面差分站相結合。在設計的時候，按照返回飛行速度小于500m/s時，定位精度優(yōu)于0.2m。
運載器再入落點精度要求高，需要針對伺服動態(tài)、操縱面特性等關鍵要素進行核心參數(shù)設計，上升段需要可在線更改關機條件，一定范圍內(nèi)變更著陸場信息，并結合推進劑約束實時評估可達區(qū)域、實現(xiàn)精確安全著陸。針對氣動影響的模型補償序列凸規(guī)劃方法開展研究，并使其在大氣層內(nèi)火箭軌跡自主規(guī)劃上開展應用，設計大氣層內(nèi)火箭動力學中非線性項的序列補償策略，使得能夠將其轉化為凸規(guī)劃問題。通過研究大氣層內(nèi)過程約束的序列凸化方法，能夠較好地處理非凸過程約束，并且不會降低軌跡優(yōu)化求解的計算速度。在此基礎上，理論分析該序列凸規(guī)劃方法的收斂性，保證該方法能夠收斂原問題的局部最優(yōu)解。設計建議采用不少于3個備選著陸場的動態(tài)重規(guī)劃能力，在線計算時間不大于1.5s。
（四）結構輕質化技術
運載能力取決于結構效率，輕質化的結構設計是提升結構效率的重要途徑。“獵鷹”9雖為一款二級火箭，但其運載能力非常可觀，對應其超高的結構系數(shù)：一級0.95、二級0.97。結構輕質化的前提條件是火箭飛行和返回過程中力/熱環(huán)境的精細化辨識，針對重復使用，需兼顧結構材料的強度、疲勞、損傷容限。結構的能力提升則取決于輕質化比強度高材料的應用、先進制造工藝的應用。在材料結構應用方面，二級結構、常溫貯箱采用碳纖維復合材料結構。
特殊工藝和復雜結構則可采用3D打印技術，減少零件和工藝非必要結構，例如“人族”火箭的結構和發(fā)動機使用專門的3D打印合金制造，與傳統(tǒng)火箭相比，部件數(shù)量減少了99%。3D打印技術還通過最大限度地減少觸控點和前置時間來提高系統(tǒng)整體的可靠性和運營成本，例如“電子”火箭的發(fā)動機所有主要部件都是3D打印的，包括其發(fā)動機腔室、泵、主推進劑閥和噴射器等。
（五）一體化綜合電子技術
傳統(tǒng)的航天電子系統(tǒng)按控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、推進劑利用系統(tǒng)、總體網(wǎng)系統(tǒng)等開展獨立系統(tǒng)研制，存在計算、供配電、通信等資源重復，電子設備功能單一，CPU計算資源利用率低等問題。因此，需要統(tǒng)籌考慮飛行控制、測量、測發(fā)控等功能需求，突破傳統(tǒng)的設計約束，解決各功能存在交叉重疊等現(xiàn)象。技術涉及系統(tǒng)功能劃分、系統(tǒng)架構、系統(tǒng)布局、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)傳輸、接口規(guī)劃與設計等眾多方面，主要通過基于標準架構的VPX 6U導冷標準的綜合電子技術，實現(xiàn)分散功能的集成化和組合化，簡化系統(tǒng)設備間電氣接口及連接關系；采用系統(tǒng)總線和高速機內(nèi)總線實現(xiàn)信息一體化，全面提升運載火箭數(shù)字化水平。
（六）緩沖著陸技術
火箭著陸過程中會受到?jīng)_擊載荷，其內(nèi)部緩沖器設計是著陸支腿的關鍵組成部分，用于吸收火箭著陸期間的動能。其次，支腿具有足夠的剛度和強度，保證碰撞過程中不被損壞，并經(jīng)過簡單檢測維修后能夠重復使用。
著陸支腿一般由著陸腿、緩沖裝置、展開鎖定機構及足墊等組成。火箭著陸支撐機構的作用是：能夠在火箭起飛上升階段收攏、壓緊，返回軟著陸前展開、鎖定，能夠緩沖著陸瞬間的沖擊力，碰撞時能夠調整適應火箭姿態(tài)，以防側翻，著陸完成后承擔火箭的重量。運載火箭發(fā)射飛行過程中，著陸支腿收攏壓緊于火箭箭身上，并設計成流線型氣動外殼以降低空氣阻力；在著陸時，利用高壓氦氣氣動系統(tǒng)打開4個著陸支架。它的輔助著陸腿由碳纖維材料和鋁合金蜂窩板制成，主著陸腿內(nèi)裝有液壓緩沖器，用于減緩著落瞬間的沖擊力，提高著陸穩(wěn)定性，從而在回收著陸平臺上實現(xiàn)軟著陸。
三、結論
目前，世界上只有SpaceX公司的商業(yè)可回收火箭實現(xiàn)了成功入軌，并引領著運載前沿技術的發(fā)展。對于我國商業(yè)運載而言，應直面差距，充分辨識可重復使用火箭的關鍵技術，不斷深入學習，推動新的技術創(chuàng)新和嘗試，全面突破可重復使用技術，向著航天強國不斷邁進。
