美國太空探索技術公司成功實現火箭一子級復用

楊 開 龍雪丹(北京航天長征科技信息研究所)

北京時間2017年3月31日6：27，美國太空探索技術公司（SpaceX）利用獵鷹－9（Falcon－9）火箭將歐洲通信公司（SES）的歐洲通信衛星－10（SES－10）送入地球同步轉移軌道（GTO）。在這次發射中，獵鷹－9火箭使用了2016年4月回收的火箭一子級，並且再次成功回收。此次發射任務的成功標誌著SpaceX公司已經掌握了火箭一子級動力垂直回收和復用的技術方案。此外，SpcaceX公司創始人伊隆·馬斯克在任務後的採訪中表示，這次還成功回收了火箭整流罩中的1瓣（整流罩分為2瓣）。

使用回火箭收火箭一子級的獵鷹－9

成功發射歐洲通信衛星－10

1 關於此次發射任務

發射概況

此次發射是SpaceX公司2017年執行的第3次任務，載荷為歐洲通信衛星－10，質量約為5.3t。

再次成功回收的獵鷹－9火箭一子級

火箭一子級復用前的準備工作

此次發射使用獵鷹－9火箭一子級的序號為1021號，它曾在2016年4月執行的第8次「國際空間站」貨運補給任務－8（CRS－8）中利用海上平台回收，這也是SpaceX公司第一次成功實現海上平台的火箭一子級回收。

CRS－8任務中回收的1021號

獵鷹－9火箭一子級

回收之後，SpaceX公司將1021號火箭一子級從海上回收平台卸下，拆卸著陸支架之後，運回肯尼迪航天中心LC 39A發射工位的水平裝配廠房。在水平裝配廠房內，SpaceX公司對1021號火箭一子級進行大量的檢查和研究，並卸下了火箭一子級上的9台發動機。

位於水平裝配廠房內的1021號

獵鷹－9火箭一子級

SpaceX公司按照計劃對1022號火箭一子級進行了多次試車，獲取了大量關於回收火箭一子級健康狀態和性能的數據，包括各子系統對於多次點火的響應、低溫貯箱多次循環使用的影響等，對估計各子系統可重複使用的次數形成了初步的判斷。當然，SpaceX公司得到最重要的結論是回收的火箭一子級可以復飛。在1022號火箭一子級完成試車後，歐洲通信公司公布歐洲通信衛星－10將採用回收的1021號火箭一子級進行發射任務。

2 關於SpaceX公司的重複使用方案

技術發展路線

SpaceX公司成立之初的目標就是要打破傳統發射服務運營商的高昂價格，因此，火箭方案設計階段就已經考慮到了重複使用的問題。根據SpaceX公司和美國航空航天局（NASA）在2006年簽訂的太空行動協議，獵鷹－9v1.0的一二子級都將採用重複使用設計，但是並沒有提及具體的設計方案。2010年獵鷹－9v1.0首飛時，火箭一子級外表面安裝燒蝕材料，內部安裝降落傘，試驗降落傘回收火箭一子級的方案，但是採用鋁鋰合金結構的火箭一子級在返回過程中因承受不住氣動載荷和熱載荷而解體，傘降回收的嘗試失敗。

隨後，SpaceX公司決定放棄傘降方案，迅速轉向有動力的垂直返回技術。2012年開始利用獵鷹－9v1.0火箭一子級改造的「蚱蜢」（Grasshopper）驗證機驗證垂直起降技術，到2013年10月共進行8次飛行試驗，對垂直起降技術進行初步驗證；2013年初淘汰獵鷹－9v1.0，為垂直回收方案而設計的獵鷹－9v1.1投入使用，並開始在飛行任務中驗證垂直回收技術；2014年，利用獵鷹－9v1.1火箭一子級改造的F9R－Dev驗證機完成5次比「蚱蜢」驗證機飛行高度更高的垂直起降試驗；2015年開始嘗試利用海上平台回收火箭一子級，年底實現陸地回收；2016年，為適應海上回收進一步改進獵鷹－9火箭，推出獵鷹－9v1.2，並成功實現海上回收；2017年實現回收火箭的再次發射。SpaceX公司在垂直起降技術上成功走出一條「驗證機驗證—發射任務驗證—火箭改進—火箭回收」的發展途徑。

配套設施建設

為了配合垂直起降火箭一子級回收方案，SpaceX公司還建設了多個專用設施。

（1）麥格雷戈試驗場的垂直起降飛行試驗平台

為了開展「蚱蜢」和F9R－Dev兩架驗證機的垂直起降試驗，SpaceX公司在麥格雷戈試驗場建造了專用的試驗平台。在進行「蚱蜢」驗證機的飛行試驗時，起飛和著陸點相同，平檯面積較小。在F9R－Dev進行飛行試驗時，SpaceX公司擴展了平台區域，將其分為發射區（發射台底座上安裝有固定系統）和著陸區兩部分。

麥格雷戈試驗場的垂直起降飛行試驗平台

（2）海上回收平台

為了實現在海上回收獵鷹－9火箭一子級，SpaceX公司租賃了3艘駁船，將其改造成海上回收平台，並稱之為「自主航天港無人船」（ASDS），其中有一艘已經退役，現役的兩艘代號分別為「我依然愛著你」（「Of Course I Still Love You」）和「請閱讀說明」（「Just Read the Instruction」），分別用於回收東海岸卡納維拉爾角發射的火箭以及西海岸范登堡空軍基地發射的火箭。

兩個海上回收平台

火箭海上回收平台參數（表略）

（3）位於卡納維拉爾角的回收區

為配合卡納維拉爾角進行的低軌發射任務，SpaceX公司在卡納維拉爾角空軍基地租用了LC 13發射工位，將其改建為第一著陸區（LZ－1）。著陸區直徑228m，中心是一塊61m×61m的硬水泥平台。

第一著陸區

此外，SpaceX公司已經向政府提出申請，希望在卡納維拉爾角空軍基地再建設2個著陸區，用於同時回收「獵鷹重型」（Falcon Heavy）火箭的芯級和2個捆綁助推器。「獵鷹重型」火箭採用兩級構型，火箭一子級（芯級）和獵鷹－9相同，捆綁了2枚和火箭一子級相同的助推器。芯級和2枚助推器都可以垂直返回進行重複使用。針對SpaceX公司提出的新著陸台建設的申請，美國空軍發布了環境評估報告。報告指出，SpaceX公司將在第一著陸區新建2個著陸台，分別位於原著陸台的西北方和西南方，新著陸台本身直徑85.96m，外圍是寬15.24m的硬土帶，直徑總計116.44m。

計劃新建的著陸區

（4）回收火箭一子級的處理廠房

2016年，SpaceX公司將回收的火箭一子級都存放到了LC 39A發射工位的水平裝配廠房內，但是隨著該發射工位投入使用，以及回收火箭一子級數量不斷增多，存放以及處理的問題逐漸凸顯出來。2017年3月20日，SpaceX公司在卡納維拉爾港租賃了新的廠房，用於存放和處理回收後的火箭一子級。該廠房佔地面積約5000m2，租賃時間為5年。此外，SpaceX公司計劃還要再建大約4000m2的廠房。

3 小結

首先，作為第一家實現火箭重複使用的航天企業，SpaceX公司打開了運載火箭歷史上新的篇章。雖然之前太空梭的固體助推器也實現了回收和復用，但是只能利用回收助推器的一部分重新裝配後再進行發射，而且太空梭成本高，維護周期長，背離了重複使用設計的初衷。SpaceX公司則是實現了整個火箭一子級的回收、復用和再次回收。儘管該公司還沒有明確重複使用能夠降低多少成本，但是伊隆·馬斯克在發射結束後的發布會上表示，使用回收火箭一子級的客戶肯定會得到優惠，具體價格還在確定中，而且火箭一子級在常規維護後可復用10次，中等規模的維修後可復用100次，遠期目標是1000次，並希望把發射周轉時間降低到24h。因此，SpaceX公司的重複使用方案已經在一定程度上達到了目標，而且隨著技術不斷成熟和穩定，未來可能會憑藉「獵鷹重型」火箭、「星際運輸系統」（ITS）等新型號進一步顛覆航天運輸領域。

其次，衛星運營商可能更希望重複使用帶來更多的發射機會。歐洲通信公司的技術主管哈利維爾在發射前表示：「這不僅僅是關於價格問題。重複使用能夠降低價格嗎？我希望如此。但對於我們而言，重複使用還意味著進入空間機會的增加。」2017年歐洲通信公司將發射6顆地球同步軌道（GSO）通信衛星和4顆中地球軌道（MEO）通信衛星，需要的發射機會非常多，各種不確定性因素導致發射推遲的情況時有發生，例如獵鷹－9之前因爆炸事故停飛調查、「第聶伯」（Dnepr）火箭因政治因素暫停飛行、「天頂」（Zenit）火箭由於財務和多次失敗，發射服務已中斷多年。另外，該公司的下一顆衛星（歐洲通信衛星－15）還在庫魯等待阿里安－5（Ariane－5）的發射，因為阿里安航天公司位於庫魯的蓋亞那發射場出現了大面積的罷工，已經導致阿里安－5的發射推遲。所以，對於歐洲通信公司這類大型衛星運營商而言，發射機會和發射價格同等重要，甚至發射機會可能顯得更重要。綜上所述，即便火箭的重複使用不能對價格產生顛覆性變革，但是如果能夠大幅縮短髮射周期，帶來更多的發射機會，同樣也會為整個發射服務行業，甚至整個航天產業帶來更多的發展潛力。

最後，SpaceX公司一直在不斷的嘗試和失敗中完成技術的快速迭代更新和積累，同時還在配套設施方面積極籌備和謀劃，隨時根據技術發展情況進行調整，逐步實現了火箭一子級重複使用的目標，這種技術研發的方式以及整體規划上的靈活性非常值得借鑒。

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