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SpaceX用“筷子”夹火箭？其实并不是夹住的

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-10-20 12:42

正文

北京时间10月13日夜间20时25分，SpaceX成功进行了第五次星舰集成飞行测试。

本次测试最大的一个亮点就是：星舰一级——直径9米、高达71米的庞然大物与二级火箭分离后返回到了发射台，并成功由安装在发射台上的Mecahzilla机械臂捕捉，实现了发射台回收火箭！

这究竟是怎么做到的呢？今天，我们一起来探究一下~

图源：SpaceX

发射台是怎么接住火箭的？

发射台接住火箭，并不像我们平常使用筷子那样，把它给夹住，而是火箭自己挂在发射台上了。如下图所示，机械臂回收机构卡住的实际上是火箭上两个不起眼的倒L形挂点，这个结构直接连接在了一级贮箱的上底上，所以可以承力。

图源：SpaceX和太空探索视频号

当然，虽然不是夹住而是挂住的，但SpaceX回收火箭依然很有难度。

最难的是“回得准”。火箭下降过程中，随着燃料的消耗、速度的变化，需要输出不同大小的推力确保其平稳减速，这就要求火箭发动机必须精确、动态地调节推力，并具备多次起动的功能。

其次，“落得稳”也不容易。火箭返航中，下降姿态、着陆角度都必须得到高精度控制，一旦着陆角度不对，火箭就可能倾覆，引发燃料外泄导致爆炸。SpaceX的猎鹰9火箭着陆精度可以达到垂直速度误差 1.47m/s、水平速度误差 0.15m/s、倾斜误差 0.4°、偏离目标中心 0.7m。

为什么要回收火箭？

最直接的是成本控制，火箭回收是直接降低发射成本的最佳方式。当火箭实现回收后，它就能像飞机一样多次起降飞行，把成本越摊越薄。

其次，火箭可回收，意味着可以提高发射频率，这是产业扩容的希望所在。传统火箭发射必须留出至少两个月的准备期，还得紧盯时间窗口“看天吃饭”。而像SpaceX这样直接挂回发射台，检查后，如果还能满足发射条件的话，直接加注燃料，装上载荷，火箭就能再次发射了，非常方便。

图源：SpaceX

那么，以后所有的火箭都要像这样被“筷子夹住”吗？其实，也不一定。

按照火箭回收部分的不同，火箭回收可以细分为一子级/助推器回收、整流罩回收、组合体回收等。一子级/助推器回收、整流罩回收，是指对运载火箭的某一部分进行回收再利用。组合体回收，是指将火箭的某些部分组合进行一体设计、一体回收再利用。

整流罩回收图源：SpaceX

火箭一子级回收方案有哪些？

SpaceX本次进行的是一子级回收，火箭一子级回收方案主要有3种：降落伞回收、滑翔回收（带翼火箭回收）和垂直起降回收（动力减速回收）。

1）降落伞回收

降落伞回收就是利用降落伞实现火箭一子级的减速回收。火箭一子级完成工作且级间分离后，返航进入大气层，预先安装的降落伞展开，在下降过程中依靠大气阻力对火箭一子级进行减速，并牵引火箭一子级返回地面。

降落伞回收有技术难度低、系统简单、投入少、成功率高、火箭运力损失小、可靠性高等优点。但由于降落伞承重能力非常有限，降落伞回收方案比较适合小型运载火箭一子级回收，应用较受限制。

图源：航空知识

2）滑翔回收（带翼火箭回收）

滑翔回收（带翼火箭回收）是指依靠机翼产生的气动力大小和方向改变火箭一子级滑翔方向，实现一子级的水平降落。在火箭一子级下降至大气层后，展开预先安装的可折叠机翼，使火箭在大气层中水平滑翔，并在最后下降阶段利用着陆架等结构着陆。

滑翔回收（带翼火箭回收）具有落点精度高、无需对回收子级进行搜索等优势，但该回收方案要求火箭能够同时实现传统火箭飞行和航天飞机飞行两种模式。

图源：中国运载火箭技术研究所

3）垂直起降回收（动力减速回收）

垂直起降回收（动力减速回收）采用垂直起飞和垂直降落技术方案。在着陆前，通过姿控发动机调整火箭一子级的飞行状态，确保火箭一子级以近乎垂直的姿态下降。在最后着陆阶段，发动机重新启动进行主动反推实现减速，最后以接近于零的速度垂直降落在着陆平台上，回收后的火箭一子级可以重复使用。

垂直起降回收（动力减速回收）具有对现有火箭设计改动小，着陆精度高，能够实现定点安全回收等优点，但对导航制导精度和姿态控制要求极其严格。垂直起降回收是火箭回收技术的主要发展方向。

“猎鹰”9 火箭一子级海上着陆飞行剖面示意图图源：参考文献[4]

目前，国内外都在争分夺秒发展火箭回收技术。截至2023年12月，我国已有14家商业火箭公司申请了火箭回收技术相关专利，包括发明、实用新型和外观设计等。

我国各公司公开的火箭回收相关专利数量排名图源：参考文献[3]

今年9月11日，我国自主研发的朱雀三号可重复使用垂直回收试验箭，在酒泉卫星发射中心完成10公里级垂直起降返回飞行试验，标志着我国商业航天在可重复使用运载火箭技术上取得了重大突破，为将来实现大运力、低成本、高频次、可重复使用的航天发射迈出了关键一步。

图片来源：央视新闻

参考文献

[1]像回收可乐瓶一样回收火箭？[J]. 中国总会计师, 2024, (08): 188.

[2]王铁兵,朱雄峰,崔朋,等. 国外运载火箭发射技术创新发展路线分析 [J]. 国际太空, 2022, (05): 40-45.

[3]田伟,张春林,刘建,等. 我国商业火箭公司火箭回收相关专利分析 [J]. 中国航天, 2024, (06): 46-52.

[4]张智境,杨毅强,吴炜平,等. 垂直回收火箭相对导航技术现状及应用分析 [J]. 中国航天, 2022, (11): 25-30.

[5]陈晓飞,孟庆尧,杨树涛,等. 运载火箭回收模式及发展展望 [J]. 中国航天, 2023, (09): 9-17.

[6]李利群,马翀,王二亮. 国内外航天发射技术现状与未来发展综述 [J]. 上海航天(中英文), 2024, 41 (02): 1-6+170.

来源：上海科技馆

编辑：未

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