“蚱蜢”驗證機的著陸支架

“蚱蜢”驗證機以獵鷹－9 v1.0火箭一子級為基礎(chǔ)改造，高約 32m，僅裝有1臺隼 -1D 發(fā)動機，配有4個金屬著陸支架?！膀乞臁痹陲w行試驗過程中發(fā)動機全程保持工作，通過發(fā)動機推力調(diào)節(jié)和推力矢量控制，實現(xiàn)上升、懸停、減速和著陸?！膀乞臁惫策M行 8 次飛行試驗，最大飛行高度為744m。SpaceX公司借此實現(xiàn)垂直起降技術(shù)的突破，初步掌握了發(fā)動機推力大范圍調(diào)節(jié)、姿態(tài)調(diào)整和主動轉(zhuǎn)向、穩(wěn)定著陸和支撐的能力。

不過，“蚱蜢”是基于獵鷹－9 v1.0一子級改進的，與后續(xù)型號有比較大的差距，著陸支架也并非最終狀態(tài)。為此，SpaceX公司又基于獵鷹－9 v1.1開發(fā)了獵鷹－9R-Dev 驗證機，高約42m，裝有3臺隼 -1D發(fā)動機，利用4個柵格舵和冷氣反作用控制系統(tǒng)輔助姿態(tài)控制，配有4個復(fù)合材料 - 鋁合金著陸支架，基本接近于后續(xù)型號的飛行狀態(tài)。獵鷹－9R-Dev共進行5次飛行試驗，最大飛行高度達到1000m，對控制算法、柵格舵、著陸支架、新的執(zhí)行機構(gòu)、著陸懸停時間調(diào)整等進行了充分的驗證。雖然獵鷹－9R-Dev在最后一次試驗中因傳感器故障觸發(fā)自毀系統(tǒng)而損毀，但是SpaceX公司已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗，并結(jié)合同期進行的實際發(fā)射任務(wù)中的驗證活動，逐步掌握了垂直起降技術(shù)，所以后續(xù)未再進行更多的驗證項目。

獵鷹－ 9R-Dev 準備著陸，著陸支架和柵格舵都處于展開狀態(tài)

發(fā)射任務(wù)中的技術(shù)驗證

在開展驗證機飛行試驗的同時，SpaceX 公司選擇在實際發(fā)射任務(wù)中對垂直起降技術(shù)進行驗證，使技術(shù)驗證和技術(shù)應(yīng)用同步化，而不是將兩者作為相互獨立的過程。

發(fā)射任務(wù)中的技術(shù)驗證伴隨獵鷹－9 v1.1投入使用就立即開始，由于獵鷹－9 v1.1 為垂直起降回收而進行了改進，改變了此前獵鷹－9 v1.0 傘降回收的技術(shù)路線。在正式開展火箭回收之前，獵鷹－9v1.1共執(zhí)行了8次發(fā)射任務(wù)。在其中的 4次低軌任務(wù)中，獵鷹－9 v1.1完成載荷部署后，一子級都進行了受控返回試驗（當(dāng)時火箭運載能力還有欠缺，未在另外4次高軌任務(wù)中進行驗證）。

在4次技術(shù)驗證中，SpaceX公司通過漸進方式一步步地對發(fā)動機重啟、返回彈道、姿態(tài)控制、推力調(diào)節(jié)、著陸支撐等技術(shù)進行驗證，而非一蹴而就。2013年9月，獵鷹－9 v1.1首飛，其一子級在返回過程中，發(fā)動機第一次重啟成功，將一子級送入再入軌道，但是發(fā)動機第二次重啟后因箭體滾轉(zhuǎn)失控而提前關(guān)機；2014年4月，獵鷹－9 v1.1 首次安裝著陸支架，返回過程中不僅發(fā)動機重啟成功，火箭姿態(tài)得到控制，著陸支架也成功展開；2014 年7月，返回過程非常順利，而且降落到預(yù)定位置，回收精度得到驗證；2014年9月，SpaceX公司不僅對回收過程進行了驗證，而且還和美國國家航空航天局（NASA）合作利用飛機搭載的觀測平臺獲取一子級返回過程的紅外數(shù)據(jù)，為熱防護系統(tǒng)的優(yōu)化改進提供幫助。

3 型號迭代升級階段

經(jīng)過大約4年的技術(shù)研發(fā)和驗證活動之后，SpaceX公司很快開始了垂直起降技術(shù)的應(yīng)用實踐：①2015年1月，首次利用海上平臺回收一子級，但以失敗告終；② 2015年12月，首次在陸地上成功回收火箭一子級（2次失敗后）；③ 2016年4月，首次成功利用海上平臺回收一子級，基本掌握了垂直起降技術(shù)（4 次失敗后）；④ 2017年3月，首次成功利用回收的一子級再次發(fā)射，實現(xiàn)運載火箭的重復(fù)使用。

同時，圍繞垂直起降重復(fù)使用方案的技術(shù)需求，對獵鷹－9進行迭代升級，不斷將技術(shù)改進融入到型號產(chǎn)品，經(jīng)過 5年時間、4個型號的迭代，形成了獵鷹－9-B5 最終構(gòu)型。

4 穩(wěn)定應(yīng)用階段

完成獵鷹－9-B5 最終構(gòu)型之后，SpaceX公司的垂直起降重復(fù)使用技術(shù)進入了穩(wěn)定應(yīng)用階段。根據(jù)馬斯克對獵鷹－9-B5 構(gòu)型的介紹，在很少維護的情況下就可以實現(xiàn)重復(fù)使用10次，在充分維護的情況下最多可以復(fù)用100次。隨著火箭復(fù)用能力的提升，回收和復(fù)用的成功率也在不斷提高，相關(guān)紀錄也不斷被刷新。截至2020年8月2日，獵鷹－9共執(zhí)行了90次發(fā)射任務(wù)，其中：

1）進行回收的發(fā)射任務(wù)共60次（海上48次，陸地12次），成功52次（海上41次，陸地11次），失敗8次（海上7次，陸地1次），成功率87%；

2）全部發(fā)射任務(wù)共使用55枚火箭一子級，即有35次發(fā)射任務(wù)均由回收復(fù)用的一子級執(zhí)行，占比39%；

3）同一枚火箭一子級最多執(zhí)行過6次發(fā)射任務(wù)，共有1枚，且已經(jīng)成功回收，還有進一步提高復(fù)用次數(shù)的可能性；另有2枚火箭一子級執(zhí)行過5次發(fā)射任務(wù)，其中有1枚已經(jīng)損毀，未能回收。

在獵鷹－9 取得成功的基礎(chǔ)上，“獵鷹重型”天生就具備重復(fù)使用的能力，截至 2020年8月23日執(zhí)行的3次發(fā)射任務(wù)中，不僅成功利用回收復(fù)用的獵鷹－9 一子級執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，而且6枚捆綁助推器全部回收成功。不過，由于芯級的工作時間長、返回速度高、推進劑余量少，回收難度還比較大，尚未完全回收成功。

SpaceX公司在重復(fù)使用技術(shù)上的突破和穩(wěn)定應(yīng)用，給發(fā)射價格和發(fā)射周期帶來了 顯著影響：

1）雖然 SpaceX公司官方網(wǎng)站上獵鷹－9的價格一直保持在6250萬美元，但該公司表示采用復(fù)用一子級的獵鷹－9的發(fā)射成本低至3000萬美元。另外，獵鷹－9在2019年和“飛馬座”（Pegasus）小型火箭對的競爭中，以5030萬美元的價格競標獲勝，得到NASA一個小型載荷的發(fā)射訂單，也從側(cè)面說明 其發(fā)射價格已經(jīng)顯著降低。

2）除價格以外， 重復(fù)使用能夠在一定程度上縮短發(fā)射周期，提高發(fā)射服務(wù)的周轉(zhuǎn)能力，滿足更頻繁進入空間的需求。采用回收復(fù)用一子級的獵鷹－9 發(fā)射任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時間（即距離該一子級執(zhí)行上次發(fā)射任務(wù)的時間）為155天，最短的周轉(zhuǎn)時間僅為51天。相比于制造一枚全新的火箭，采用重復(fù)使用運載火箭能夠顯著提高快速履約能力。

5 小結(jié)

SpaceX 公司能夠在垂直起降重復(fù)使用運載火箭上取得成功，離不開美國整個航天工業(yè)基礎(chǔ)的支撐，同時公司自身在管理和工程上也有很多先進之處。首先，明確的技術(shù)路線和目標是SpaceX公司成功的重要前提。SpaceX公司在火箭研制過程中非常堅定地選擇重復(fù)使用這條路線，在傘降回收不可行之后，迅速做出改變，采用垂直起降，圍繞這一目標，不斷對火箭進行改進和升級。其次，技術(shù)驗證和飛行任務(wù)相結(jié)合是實現(xiàn)垂直起降技術(shù)快速應(yīng)用的重要途徑。SpaceX公司沒有將技術(shù)驗證計劃孤立起來，而是利用最接近于飛行狀態(tài)的硬件進行試驗，或者直接在發(fā)射任務(wù)中進行驗證。最后，型號技術(shù)狀態(tài)的快速迭代是SpaceX公司能夠領(lǐng)先于眾多競爭對手的重要原因。在垂直起降技術(shù)快速推進的同時，獵鷹－9的構(gòu)型狀態(tài)也隨之進行調(diào)整，將技術(shù)的進步體現(xiàn)和固化到產(chǎn)品上，取得競爭優(yōu)勢。

來源/《國際太空》2020年第9期

編輯/楊璐茜

責(zé)編/毛凌野

監(jiān)制/祁首冰

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