北京时间12月14日凌晨1点30分,SpaceX太空探索公司诞生第2发“七箭七回收”高重复回收再用火箭。火箭回收一直是SpaceX近年努力发展并取得重大突破的方面。本文介绍了SpaceX的火箭回收最新情况,火箭回收的原因和SpaceX火箭回收的尝试之路和“猎鹰9号”一级火箭的回收过程。

一、SpaceX的火箭回收现状

北京时间2015年12月22日上午9:29(美国东部时间12月21日20:29)SpaceX成功发射了猎鹰9号火箭,并且在火箭升空后10分钟成功完成第一级火箭回收任务,这是人类第一个可实现一级火箭回收的轨道飞行器。

最近的一次是北京时间2020年12月14日消息,当地时间周日,美国太空探索技术公司SpaceX利用多次回收的猎鹰9号火箭助推器成功发射了Sirius XM公司的最新无线电卫星,并创造了新的可重复使用纪录。这颗卫星名为SXM-7,由猎鹰9号火箭助推器B1051携带升空,这标志着该助推器第七次成功发射和回收,这也是SpaceX首次在非星链卫星商业发射任务中使用经过六次回收的助推器。此次发射也让SpaceX对其整流罩的重复使用更有信心,SXM-7标志着该公司有史以来首次在商业发射中使用回收的整流罩,而SpaceX已经重复使用整流罩13次。

助推器和整流罩的回收,大大降低了SpaceX的发射费用。仅使用回收的半个整流罩,SpaceX就可以节约大约250万美元。因此,SpaceX在向愿意使用多次回收助推器或整流罩的非星联卫星有效载荷客户推销时,有希望提供更大折扣,这也增加了客户向SpaceX购买发射的意愿。

本次发射亮眼之处在于,第2发火箭7次重复回收利用,离马斯克所说的“使用10次而不用大修”仅仅只有3次。而回收后再次使用,最短的时间间隔为50天,发射成本越来越低。得益于B1051的第七次成功回收,SpaceX已经拥有两枚发射并回收七次的猎鹰9号火箭助推器,2021年有望实现第八次、第九次、第十次甚至更多次的可重复使用,这对于实现马斯克此前定下的发射10次“小目标”更近了。

二、为什么要回收火箭?

火箭制造由于技术复杂,没有工业化的批量生产,火箭的制造与发射一直是个极其昂贵的过程,需要上亿乃至数亿美元。

为了节约成本,上世纪美国和苏联在太空竞赛的背景下提出了利用可回收的优势发展航天飞机,然而事实证明由于系统过于复杂、再利用成本极其高昂,美国航天飞机平均的发射费用达到了瞠目结舌的15亿美元,挑战者号和哥伦比亚号的失败,直接导致项目下马。而苏联人的暴风雪号完全没有投入实际使用就宣告退役。航天飞机项目以失败告终。

火箭回收具有可能性,且能节约很大一部分的成本。因为火箭的发射成本里面,燃料的费用非常低。以猎鹰九号为例,单次发射费用为5400万美元,但燃料费只有20万美元。

虽然由于系统设计难度增加、冗余及备份、牺牲发射效率(火箭内还要留有燃料)、无法预测的发动机翻新费用等系列缺点,火箭回收一直是个棘手的问题。

三、SpaceX回收火箭的尝试之路

SpaceX颠覆性技术是可回收重复使用的火箭。目前的多级火箭技术,箭体在每次发射之后都会坠入大气层焚毁,而发射火箭的大部分成本,都在一次性使用的引擎和燃料箱等基础结构里。

1、跳跃实验

SpaceX最早做出了蚱蜢(Grasshopper)系列火箭。试验机采用“跳跃”的方式发射,然后关闭发动机系统让火箭下落,以进行垂直状态下的火箭控制与回收。

从2012年9月到2013年10月,前后进行了8次试验,从最早的点火三秒高度1.8米,到点火80秒高度超过500米并有了横向机动。“草蜢”运载火箭,成功地多次完成了垂直起落、空中悬停并精准地返回基座的试验,这是其可回收重复使用的火箭原型。SpaceX因此获得了一系列重要试验数据,为未来成功奠定了重要基础。

2、火箭整体实验

作为8次蚱蜢火箭实验的延续,在火箭一级回收方面,SpaceX在2014年进行了4次近地火箭整体实验,高度在1000米左右,但最后一次不幸失败,一个小小零件的故障导致了失败。

3、海上回收

在实际发射任务中总共进行了三次海上试验:

第一次(2015年1月)单纯为了测试让火箭直接掉到了海里;

第二次(2015年4月)使用了海上平台但火箭直接倾覆后爆炸在平台上;

第三次(2015年6月)直接在空中爆炸。

4、陆地回收成功

经过了之前众多失败,SpaceX决定采用陆地回收的策略。

火箭采取了垂直回收的方式,降落过程中逐渐导航至下降通道,最后落地前火箭发动机将相对速度降为接近0的状态,采取四个支架平稳着陆。

四、“猎鹰9号”一级火箭回收步骤

第一步:分离一级火箭

“猎鹰9号”火箭冲出大气层,在达到离地50英里的高度时,一二级火箭就会分离,当然如果需要将货物运送到更高的轨道,其就会更高的地方分离,在一二级火箭分离之后,二级火箭点火继续将携带的卫星或者飞船送入预定的轨道,不过在一二级火箭分离之后,一级火箭并不会立即开始向地面降落,还会继续向上滑行一段距离,一般会达到离地100英里的高度。

第二步:旋转一级火箭

“猎鹰9号”火箭的一级火箭在分离之后,并不会是垂直的姿态,如果不对一级火箭的姿态进行调整,其将不能以垂直的姿态降落到预定的地点。

因而,在一级火箭分离之后,美国太空探索技术公司会通过冷气体推进器对火箭的姿态进行调整,在继续向上滑行的过程中对箭体进行180度的旋转,将火箭的首尾进行对调,使一级火箭的底部能朝向地面。

在调整了一级火箭的姿态之后,其火箭的回收过程就已正式启动。

第三步:重启引擎引导降落

在调整好火箭的姿态之后,火箭继续向上滑行的时间就不会很长,而在这一阶段,“猎鹰9号”的一级火箭就开始向地面降落。

但由于“猎鹰9号”一级火箭的箭体庞大,火箭也非常重,在下落的过程中速度会非常快,这就需要重启一级火箭的引擎,此时会重启一级火箭9个引擎中的3个,使其能减慢下降的速度。

在这一过程中,也要调整好火箭降落的位置,使其能准确的降落到陆地上的着陆点或者海上的无人船舶上。

第四步:减速进入大气层

在重启“猎鹰9号”一级火箭9个引擎中的3个之后,虽然降低了火箭的下降速度,但在进入大气层之前还需要进一步降低火箭的下落速度。

在“猎鹰9号”的一级火箭进入大气层之前,火箭的主发动机会再次开启,进一步降低火箭的下落速度,同时火箭外部用于保证火箭稳定姿态的网状翼鳍也会打开,使火箭以垂直的姿态降落。在打开火箭的主引擎和网状翼鳍之后,火箭的降落速度就降到了560英里每小时。

第五步:进一步减速 打开落地支架

在“猎鹰9号”的一级火箭进入大气层,并且在离地面一定高度时,火箭余下的引擎也会全部启动,进一步降低火箭的下落速度,以便其能以合适的速度降落。

而在距离地面约5英里的高度时,控制系统就会启动“猎鹰9号”一级火箭落地时的稳定支架,用于保持火箭稳定的4条“腿”就会全部展开,在火箭降落到地面时,就能保持火箭稳定的垂直姿态而不至于倾倒。

第六步:火箭成功落地

在顺利完成了前面的五个关键步骤之后只要保持火箭发动机和其他部件的正常运转,就基本能保证一级火箭顺利降落。在火箭成功降落之后,还需要及时关闭火箭的引擎。

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