製造可重複利用的火箭，到底有多難

近日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的“龍”飛船首次載人試飛成功，將兩名美國宇航員送入國際空間站。SpaceX最大的創新就是首次製造出可重複利用的火箭，那麽，回收火箭到底有多難？請聽中國運載火箭技術研究院研究發展中心高級工程師唐慶博在“造就Talk”演講上介紹可回收火箭的技術難點。

2016年，SpaceX公司的獵鷹9運載火箭首次實現一子級回收。2017年，SpaceX又首次實現“二手火箭”的成功發射。2018年5月，“龍”貨運飛船由最新型獵鷹9火箭發射升空，同時實現了陸上回收。它在小修狀態下可以重複使用10次，大修狀況下可使用100次。

這些年來，SpaceX公司及其創始人埃隆·馬斯克對技術的探索和對科研的追求，一直在感動著我們。

人類是怎樣實現宇宙探索的呢？我來給大家簡單介紹一下。其實，火箭發射的原理與扔石頭是一樣的———你扔的速度越快，石頭就落得越遠。火箭也是一樣，當它的飛行速度超過第一宇宙速度，也就是7.9千米/秒的時候，就可以圍繞地球飛行；如果達到第二宇宙速度（11.2千米/秒），就可以脫離地球的束縛；如果達到第三宇宙速度（16.7千米/秒），則可以飛向更遠的太空。

運載火箭的設計原理就是通過分級火箭按照“使用—分離—拋棄”的順序，一級一級地把有效載荷運到軌道上去。

有人會問：火箭那麽昂貴，每一次都拋掉子級是不是很浪費？確實如此。而且，在拋棄的過程中，有時候火箭殘骸會砸到意想不到的地方，產生一些損害；也可能沒掉到地面，再入軌的時候形成碎片，對整個軌道產生潛在的危害。

於是，很多科學家就設想，能不能把火箭收回來再次利用？實際上，幾十年來，各個國家的科學家都一直在研究這個問題，而SpaceX公司則取得了突破性的進展。

SpaceX公司的火箭飛行軌跡是怎樣的呢？

以它執行第一地球軌道任務為例。火箭起飛後140多秒的時候，高度為60公里左右，速度已經達到了非常快的6馬赫（1馬赫即一倍音速）。這時候它的一子級就關機，與二子級分離，之後發動機噴口朝著回收點的方向，進行第二次點火，來減小飛行的速度。

當飛行高度達到70公里左右，一子級上的柵格翼打開。它的作用有兩個，一是利用氣動進行減速，二是對火箭的姿態進行控制。接下來是第三次點火，快到著陸點的時候還有第四次點火，使速度降到5米/秒，著陸緩衝支撐腿打開。最後，也是最驚險的環節———垂直落在地面上。

這個過程說起來挺簡單的，可是獵鷹火箭在實現海上回收之前曾經失敗了4次，說明這件事還是挺難的。它究竟難在哪裡呢？

第一個難點，因為加了回收這一步驟，所以火箭的總體參數優化和設計變複雜了。回收過程中首先需要有一定的動力，也就需要攜帶一部分的推進劑。在它落地過程中，氣動加熱會導致子級外殼出現一定的損失，這時候需要相應增重，而且可能需要對下落的彈道進行調整。打個比方，就好像既要它多扛貨物，又要它本身體重輕，所以有很大的難度。

第二個難點，整個垂直返回的精度控制要求很高。我們可以把回收的過程比喻成一個動作———你手上有一支鉛筆，要把這支鉛筆拋出去，而且要讓它垂直落在一個點上。這個過程分兩個階段：一是拋出去以後要準確找到那個點，因此導航製導精度要求特別高；二是它快要落地時要垂直降落，不能傾倒，這對它本身姿態的控制要求比較高。

第三個難點，火箭子級落地過程中，要對它本身的推力進行調節，有時候需要從60%調節到110%，調節範圍比較大。

第四個難點，推進劑的管理難度大。它降落的時候，實際上是“半桶水”或者更少，這裡有一個控制的問題。

第五個難點，著陸時的緩衝問題。獵鷹火箭的緩衝裝置起的作用有三個：第一是防止傾倒，第二是緩衝著陸，第三還要忍受發動機噴射的高溫。

總的來說，火箭的回收確實是挺難的一件事，它也有缺點，其中很大的一個缺點就是火箭子級回收的時候，它的運載能力損失較大。實際上，各國科學家都在想一些其他的回收方式，我想不久的將來也許可以看到更多樣的成果。

去年，SpaceX還提出了星際運輸系統，用來進行火星探測。該公司最大的火箭叫BFR，號稱重複使用次數將達到1000次。屆時，它可能就像飛機一樣，能反覆地使用。