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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

主要观点总结

本文主要介绍了SpaceX的第五次星舰集成飞行测试，其中火箭一级与二级火箭分离后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。文章还介绍了火箭回收技术的细节和重要性，包括一子级回收的三种方案，以及国内外在火箭回收技术方面的发展情况。

关键观点总结

关键观点1: SpaceX成功进行第五次星舰集成飞行测试，实现了发射台回收火箭。

测试中的亮点是火箭一级与二级火箭分离后，通过机械臂回收机构卡在火箭上两个不起眼的倒L形挂点上，实现了发射台回收。这个过程实际上是火箭“挂在”发射台上，而不是被“夹住”。

关键观点2: 火箭回收技术的细节和重要性。

火箭回收包括一子级/助推器回收、整流罩回收、组合体回收等。其中，一子级回收主要有三种方案：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）。火箭回收可以降低发射成本，提高发射频率，是商业航天发展的重要方向。

关键观点3: 国内外在火箭回收技术方面的发展情况。

我国已有商业火箭公司在火箭回收技术方面取得突破，如朱雀三号可重复使用垂直回收试验箭完成10公里级垂直起降返回飞行试验。目前国内外都在争分夺秒发展火箭回收技术。

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。 S paceX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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