垂直回收一枚火箭到底有多難？

Callejon

垂直起降（vertical takeoff vertical landing,VTVL），顧名思義就是垂直起飛和垂直降落。火箭通過垂直起降可以達到回收子級并重復利用的目的。

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SpaceX的獵鷹9號火箭正是目前最具代表性的垂直起降可回收火箭。

三大主流回收方式中，相比于傘降回收，垂直起降回收著陸精度高、著陸沖擊小，能實現包括一級發動機等核心部件在內的箭體整體無損傷回收；相比于帶翼水平回收，垂直起降回收對地面場地及保障要求低、對運載效率影響小、技術難度較低。因此，垂直起降回收因商業應用價值最高而成為香餑餑，是當前火箭回收的最主流方式。

放眼國內外研制進展，已經真正意義上成功實現垂直回收全比例火箭的僅有美國的太空探索技術公司（SpaceX）和藍色起源公司（Blue Origin），這也直接說明了這種火箭回收方式的“闖關”難度級別之高。

起飛、爬升、分離、動力減速、氣動減速、發動機點火、平穩垂直落地……這是對火箭垂直回收過程的粗略概括。

事實上，火箭真正的垂直起降回收過程非常復雜而“兇險”。簡單設想一下，一支直立的細長鉛筆被拋出去，經歷短暫的飛行過程，最后還得穩當地返回，以直挺挺的姿態及很小的落速高精度豎直降落在指定的地方。

在這個旅程中，鉛筆簡直是“步步驚心”的狀態，可能遭受的意外包括但不限于：高空失控被折斷，偏離軌道沒法返回，力量拿捏不準造成下落速度太快而摔落，落地姿態不夠直而傾倒，落地位置不在指定范圍等。

做真實火箭的垂直起降試驗，對將來突破火箭重復使用和回收技術來說最有意義。那么，對于一枚真實火箭而言，若要成功實現垂直回收，到底該怎樣“打怪升級”呢？

發動機多次點火，推力連續可變

火箭要實現垂直返回，作為火箭“心臟”的發動機就必須具備兩個關鍵的基本能力：多次啟動；大范圍推力調節。以上是實現火箭垂直回收的基礎。

就像一輛急馳中的汽車，油門、剎車交替，不停重啟幾次，中間還要頻繁換擋，最終精準行駛到劃定位置。顯而易見，這是對發動機能力的最大考驗。

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在火箭實際垂直回收過程中表現為：發動機點火，火箭起飛，發動機關機，火箭一級和二級分離；火箭一級在返回過程中再啟動，先做一個減速；高速進入大氣層后利用大氣減速；在著陸時發動機再點火，繼續進行減速和控制?？偠灾?，發動機要經歷2～3次啟動。

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其中，獵鷹火箭在垂直回收的發射任務中，發動機總共要經歷3-4次點火。通過頻繁的點火啟動，不斷調節火箭飛行的速度和姿態，以便最終實現以剛剛好的速度和角速度垂直降落在指定位置。

關于發動機推力變化方面，SpaceX公司使用的梅林發動機，即通過50%-110%變推力能力，滿足了火箭垂直回收要求，實現了獵鷹9火箭的重復使用。

根據此前報道，我國民營商業航天公司星際榮耀自主研發的焦點一號液氧甲烷發動機在立項之初就重點圍繞推力調節的功能來進行設計。經過幾年攻關，該發動機已經突破了推力調節技術，順利完成了多次模擬飛行變推力試車，累計完成約12000秒，發動機在50%至115%推力范圍內連續穩定工作。系列試車成功考核了火箭從起飛到著陸過程中發動機的變推力調節過程，焦點一號已具備執行垂直起降飛行試驗的全部條件。

焦點一號試車現場

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此外，值得一提的是，焦點一號發動機采用了公認的未來優質燃料代表——液氧甲烷燃料。雙曲線二號成功垂直起降回收后，該燃料將大大降低回收火箭維護檢修成本，甚至可以完全不做處理，就可以很快再次飛行。

“嚴苛”控制精度，飛出最佳路線
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在火箭整個垂直返回的過程中，對精度控制方面的要求近乎“嚴苛”。這主要包含了兩個層面的含義：導航制導精度要求高；姿態的控制要求高。

運載火箭飛行的軌跡被稱為彈道，也就是火箭在天上飛過的軌跡線。彈道設計的好壞，直接關乎火箭姿態調節的能力、燃料消耗的經濟性等。彈道設計得好，可能飛得更高，飛得更平穩，消耗的燃料更少；設計得不好，火箭機動能力、燃料消耗等都可能受到很大影響。

火箭回收中，要想火箭子級順利返回，當然得避免走彎路。為火箭“導航”，確保它能在剛剛好的時間、剛剛好的地點，做剛剛好的動作，才算得上飛了“最佳路線”。

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關于這方面，星際榮耀專家在此前采訪中透露，研發過程中團隊經歷過曲折，前期用理論計算做了一個控制性的設計，進行相關的風洞實驗時，才發現實際結果和前期理論計算結果相差很大。對系統數據進行完全的分析后，團隊重新設計了火箭返還的制導控制。針對此，目前已經成功完成大量仿真實驗，未來進行回收試驗時，在保證安全的情況下，將采用最優的彈道方式。

雙曲線二號風洞試驗模型

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值得注意的是，火箭往上飛時，是氣動整流的外形；往回返的過程中，因為有發動機、著陸腿等凸起物，整個火箭實際上是非常不規則的外形，整個系統特性也隨之發生了很大變化，而且發動機一直在工作并向下噴出高速噴流，對火箭的氣動性能影響很大。因此返回控制非常重要。此前，星際榮耀雙曲線二號驗證型火箭完成了一級主動段及返回段飛行控制系統驗證工作。

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提到姿態控制，則繞不開火箭飛行姿態控制裝置——柵格舵，火箭子級回收過程中，利用柵格舵進行姿態控制，具有控制效率高、控制品質好、可靠經濟的技術優勢。

柵格舵試驗現場

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研制能夠完全重復使用的柵格舵系統，具有很大的技術挑戰：需要在嚴酷力熱環境下，滿足上升飛行過程中自動折疊鎖定、返回過程中自動展開和擺動、回收落地后自動折疊鎖定等需求。星際榮耀此前成功進行了雙曲線二號可重復使用運載火箭柵格舵子系統地面驗證試驗。

“體重”輕又要耐緩沖，還不能怕熱

回收飛行中的火箭子級如果順利經過了前期的種種考驗，那么“九九八十一難”的最后一個難點就是“垂直著陸”飛行?；鸺懼斑€有燃料，發動機仍在工作，因此著陸裝置在熱環境、力學環境的表現非常關鍵。

這個過程中，一個非常靠譜的著陸裝置不可或缺。這些強大的著陸腿既要起到緩沖作用，防止火箭傾倒，還得忍受發動機噴射的高溫。

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火箭子級著陸前夕瞬間的沖擊力較大，要滿足火箭子級回收并重復使用的要求，就需要計算其尺寸、體重等指標，確保緩沖裝置要在保證“身體輕盈”的基礎上，在有限的行程內起到良好的緩沖效果。

據了解，獵鷹9火箭著陸腿采用的是三角支撐機構，因為展開后支撐范圍較大，著陸過程相對穩定，能夠減輕控制壓力，并在多次發射任務中得到了充分驗證。

藍色起源公司的“新格倫”火箭和“新謝潑德”火箭則分別采用了轉動側擺式機構和雙轉動側擺式機構，外觀類似于平行四邊形。但是鑒于對結構強度要求較高等原因，在實踐中存在一定程度上的不足。

本著真正成功實現火箭子級垂直回收的初心，星際榮耀團隊攻堅克難，研發了符合自身產品的著陸裝置，充分兼顧了著陸腿的“輕量化與可靠性”

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落震試驗現場

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通過有序開展結構靜力承載試驗、機構展開試驗、著陸裝置落震試驗等，驗證了火箭模擬真實飛行情況下的著陸所有工況，為一子級火箭的垂直回收試驗提供了堅實可靠的保障。

此外，值得注意的是，關于“先入軌，再做回收”還是“先成功回收，再入軌”的問題，星際榮耀堅定地選擇了后者：一切瞄準最終的回收目標去開展工作。因為重復使用火箭在設計原則、總體方案、系統構成、核心關鍵技術等方面和傳統的一次性火箭有根本性差異，一次性火箭無法通過方案更改變身成重復使用火箭。因此，瞄準重復使用火箭最終方案，在技術上先突破一子級重復使用技術，然后在重復使用一子級上串聯增加二子級是最合理、最高效的技術路徑，可以有效防止火箭總體方案的“翻車”和反復，正是所謂“難而正確的事”。

蓄勢待發

雙曲線二號火箭一開始便按照回收的核心思路來做設計。三四年的時間內，在其他商業公司已經完成了“入軌優先路線”的目標時，他們仍堅持對回收技術的層層探索和不斷突破，蓄勢待發。

星際榮耀透露，在摸索過程中確實遇到太多坎坷，但是整個團隊覺得一切都值得，突破回收以后再做入軌是初衷，符合團隊對于商業航天邏輯的深度思考，也將支撐大家始終腳踏實地，更加堅定地走向更遠。

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電氣學徒2

向先進技術學習，不斷提示核心競爭力。