火箭如何實(shí)現(xiàn)自主返回——導(dǎo)航找到精準(zhǔn)落點(diǎn)

掃街

可重復(fù)使用火箭屬于能夠被多次使用的航天運(yùn)載器，在這個(gè)家族中除了NASA的航天飛機(jī)能夠被重復(fù)使用外，其余的運(yùn)載工具都無法實(shí)現(xiàn)被再次利用。傳統(tǒng)的多級(jí)火箭基本屬于一次性使用產(chǎn)品，從第一級(jí)到上面級(jí)，完成使命后就被拋棄了，分離后，發(fā)動(dòng)機(jī)也隨之損失。為了降低航天發(fā)射的費(fèi)用，美國與前蘇聯(lián)都開啟過火箭重復(fù)使用的計(jì)劃，蘇聯(lián)在能源號(hào)火箭的研制過程中曾提出將RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重復(fù)使用驗(yàn)證，但收效甚微。
, @& F1 m5 e8 t1 e2 ^
$ h- |# \  J% s  d美國航天機(jī)構(gòu)在航天飛機(jī)固體助推器上實(shí)現(xiàn)了重復(fù)使用，通過一系列的起爆分離裝置讓助推器與主體分離，然后開傘濺落。這種方式雖然在一定程度上降低了費(fèi)用，但可重復(fù)使用性仍然不高，助推器的外殼也會(huì)在濺落過程中受海面沖擊而變形。需要注意的是，航天飛機(jī)的運(yùn)行成本較大，已經(jīng)背離了當(dāng)初對(duì)可重復(fù)使用概念設(shè)想，因此研發(fā)新一代可重復(fù)使用的航天運(yùn)載器成了降低入軌費(fèi)用的最佳途徑。
5 f) N  |+ I7 x4 b" W* x+ s) |2 ]

火箭的可重復(fù)使用性一般從兩個(gè)方面入手，第一個(gè)是重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)；第二個(gè)是部分結(jié)構(gòu)或整體可重復(fù)使用。早期火箭設(shè)計(jì)之所以為一次性使用，是因?yàn)橹貜?fù)使用的經(jīng)濟(jì)性太差，還不如一次性使用劃算，而且重復(fù)使用的技術(shù)難度仍然不小。進(jìn)入21世紀(jì)后，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)逐漸成熟，于是SpaceX公司在2012年進(jìn)行了“蚱蜢”火箭的驗(yàn)證性試飛，第一次試飛高度僅為1.8米，在空中停留了3秒，證明了火箭垂直降落的可能性。在之后的一年多的時(shí)間內(nèi)，SpaceX公司陸續(xù)進(jìn)行了多次試飛，高度逐漸提升到700多米，并展示出箭體對(duì)橫風(fēng)的控制能力，說明SpaceX公司掌握了火箭自主降落的狀態(tài)控制技術(shù)。隨后我們看到了SpaceX公司設(shè)計(jì)的著陸支架，并安裝在“獵鷹9號(hào)”火箭第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)圍殼周圍。從SpaceX公司的對(duì)可重復(fù)火箭的發(fā)展歷程上看，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及其部分結(jié)構(gòu)的可重復(fù)使用是完全可行的。

SpaceX公司通過“蚱蜢”火箭累計(jì)了火箭自主降落技術(shù)，其技術(shù)難點(diǎn)主要集中這幾個(gè)方面：

1. 擁有成熟且先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

可重復(fù)使用火箭在返回級(jí)降落時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供“隨叫隨到”的推力服務(wù)，返回過程的程序飛行需要發(fā)動(dòng)機(jī)多次開機(jī)、關(guān)機(jī)，停啟性能必須滿足設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)工況也要維持在更高的水平上。尤其是當(dāng)前發(fā)射場基本都建在海岸附近，高鹽、高濕環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的維持其實(shí)是不利的，各部件在滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也要對(duì)抗環(huán)境的不利因素。

值得一提的是，可重復(fù)使用火箭的返回級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)還需要保持較高的減損控制率，否則即便返回級(jí)安全抵達(dá)地面也無法在短時(shí)間內(nèi)投入下次發(fā)射，甚至需要進(jìn)行大修才能滿足發(fā)射的要求，這也違背了可重復(fù)使用的初衷。同時(shí)還要有一套健康與故障診斷系統(tǒng)來監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，從而判斷返回后的發(fā)動(dòng)機(jī)能否投入下次發(fā)射。

“獵鷹9號(hào)”上使用的灰背隼-1D發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是史上最優(yōu)秀的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之一，海平面推力為55噸左右，推比達(dá)到150，該發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)較為成熟，能夠?yàn)椤矮C鷹9號(hào)”第一級(jí)返回提供較高的安全性和可靠性。灰背隼-1D比此前使用灰背隼-1C型號(hào)在推力表現(xiàn)上更強(qiáng)悍一些，單臺(tái)推力提升20噸以上，推比增加了三分之一，灰背隼-1D在美國德克薩斯州McGregor中心完成了持續(xù)點(diǎn)火測試，并獲得進(jìn)入商業(yè)發(fā)射的資格。
6 n3 f9 m$ M& L' V2 a

2. 先進(jìn)的控制與導(dǎo)航技術(shù)

“獵鷹9號(hào)”第一級(jí)大約在發(fā)射后3分鐘完成工作，并與第二級(jí)分離，進(jìn)入自主降落程序。從中可以看出返回級(jí)的工作初始高度一般都較高，至少在大氣上層，而且初始速度很大，達(dá)到亞軌道飛行的速度值。箭體在返回過程中會(huì)經(jīng)歷短時(shí)間的飛行環(huán)境劇變，這給控制與導(dǎo)航增加了難度，比如返回級(jí)分離后的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)加速度計(jì)需要快速計(jì)算，并在氣動(dòng)控制較弱的環(huán)境下對(duì)箭體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，提供高精度的飛行狀態(tài)初始信息。如果是完全可重復(fù)使用的返回級(jí)，再進(jìn)入大氣層時(shí)就需要精度更高的軌道修正，確保最后能通過無動(dòng)力滑翔著陸。

當(dāng)返回級(jí)進(jìn)入數(shù)千米的高度后，箭體上搭載的雷達(dá)高度表開始發(fā)揮主要作用，為箭體的狀態(tài)控制提供實(shí)時(shí)且連續(xù)的信號(hào)，同時(shí)配合激光測距儀的工作，最終返回火箭能夠準(zhǔn)確找到降落地點(diǎn)，降落在長度大約為90米，寬度為50米的海上移動(dòng)駁船平臺(tái)上。

3. 減震性能極佳的著陸支撐裝置

可重復(fù)使用火箭使用的返回著陸裝置主要為氣囊式緩沖和著陸支架減震模式，這兩者在行星際探測器上比較常見，NASA的兩輛火星車都使用了氣囊式緩沖著陸，著陸支架減震更是一抓就有一大把，鳳凰號(hào)號(hào)稱在著陸支架上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水滴狀物質(zhì)，當(dāng)時(shí)，科學(xué)家推測是反推發(fā)動(dòng)機(jī)將凍土中的冰水物質(zhì)加熱，最后附著在著陸支架上。

6 @1 |8 t' _$ b; i4 X. H6 i“獵鷹9號(hào)”上使用了可收放的支撐腿作為著陸裝置，當(dāng)然這僅限于像“獵鷹9號(hào)”這樣的小型返回級(jí)，如果是質(zhì)量更大的返回級(jí)，那支撐腿著陸方式無法實(shí)現(xiàn)足夠的吸能效果。從目前著陸裝置的研究來看，液壓式減震緩沖裝置較為可行，能夠?qū)崿F(xiàn)多次使用，其阻尼系統(tǒng)在多次緩沖后仍然不會(huì)受到太大的影響。同時(shí)，返回級(jí)箭體還可以增加著陸支撐點(diǎn)的數(shù)量，達(dá)到更好的穩(wěn)定性能。

/ Y% G7 Z" @: s" d" v: c

SpaceX 公司的“獵鷹9號(hào)”是一種能夠?qū)崿F(xiàn)第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)自主返回的火箭，該公司的目的就是使入軌費(fèi)用進(jìn)一步降低。當(dāng)前，“獵鷹9號(hào)”的發(fā)射費(fèi)用在5000萬美元左右，如果使用第一級(jí)自主返回，那么費(fèi)用則低于這個(gè)數(shù)字，假如第一級(jí)和上面級(jí)全部返回，那么發(fā)射單價(jià)將更低。按照SpaceX公司對(duì)獵鷹家族的計(jì)劃表，“重型獵鷹”也將設(shè)計(jì)成可重復(fù)使用，屆時(shí)，商業(yè)航天領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇乱惠喌南磁啤Ｈ胲壻M(fèi)用降低后，各種近地軌道業(yè)務(wù)也會(huì)如雨后春筍般涌出，在軌道上建造一個(gè)工廠、將月球礦產(chǎn)帶回地球、開拓火星航線等等都不再是奢望。

點(diǎn)評(píng)：
3 f" G0 }* t  ^/ A4 [8 `" k不走尋常路

翱翔天際

只能望洋興嘆了！

changkongceyi

馬斯克自己說這次回收五五開（回收火箭找得準(zhǔn)，沒停穩(wěn)），但天朝直言——失敗了...

投身革命

太高大上了