SpaceX回收火箭有多難？中國火箭專家也為之驚嘆

造就第400位講者 唐慶博

中國運載火箭技術研究院研究發展中心

高級工程師

我是一個航天人，今天說的是可回收火箭方面的技術。

這幾年，國際航天界公認的熱點一定是SpaceX公司的Falcon 9可回收火箭技術。

2016年Falcon 9火箭首次實現一子級的回收，2017年SpaceX又首次實現「二手火箭」的成功發射。2018年的時候，它的獵鷹重型火箭首飛成功，同時實現了陸上回收。

2018年5月份，SpaceX最新型的獵鷹9-Block 5火箭發射成功，這種小修狀態下可以重複使用10次，大修狀況下可使用100次。

SpaceX公司和伊隆?馬斯克對技術的探索和對科研的追求一直在感動我們。

人類為什麼要探索宇宙？人類是怎麼樣探索宇宙的？接下來我一一給大家分享一下。

太空探索

我們為什麼要來探索宇宙呢，我覺得可以從兩個方面來說。

第一，其實太空探索的成果對我們人類的影響是實實在在的，都有很多的好處。比如說如果沒有通信衛星的話，大家就收看不到這麼多的電視節目；如果沒有氣象衛星，我們就沒有辦法對天氣進行準確的預報；如果沒有導航衛星，我們就不能夠便捷地使用手機導航功能。所以說，我們現在的生活基本上已經離不開太空探索的成果了。

第二個，人類探索宇宙的這種追求一直沒有停歇過。從康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基到萬戶飛天，到加加林衝出地球，再到探月、登月，再到探索火星。我們人類實際上是一步一步在對宇宙進行探索。

我們怎麼來實現對宇宙的探索呢？我想先給大家解釋一下理論上我們是怎麼做的。

大家小時候有沒有扔過石頭，其實我們火箭發射的原理跟這個是一樣的——你扔的速度越快，石頭就落的越遠。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），就可以飛向更遠的太空。

實際上我們怎麼做呢？這個圖是我們目前運載火箭的結構圖，整個過程並不複雜，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。

有人就會問，做一枚火箭直接入軌不就行了嗎？這其實就叫做單級火箭，但是有一個問題，目前化學燃料的能量水平只能達到五到六千米每秒，而我剛才提到的第一宇宙速度要達到7.9千米/秒。

再舉個例子，現在汽車最高的速度也就是100米每秒的水平，火箭入軌的速度最起碼要達到汽車速度的79倍，這還是很難的。

另外一個問題，火箭還很貴，每一次都拋掉子級是不是挺浪費？而且在拋的過程中，大家也經常看到新聞，一下就砸到哪了，會產生一些損害；也有可能沒掉到地面，再入軌的時候形成碎片，對整個軌道產生一些危害。

很多科學家就在想，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做這個事情，尤其以SpaceX取得了非常好的成績。

Falcon火箭的飛行軌跡是怎樣的呢？

我以它執行第一地球軌道任務為例解釋一下。火箭起飛之後到140多秒的時候，高度是60公里左右，這個時候它的速度就比較快了，已經達到6個馬赫。這時候它的一子級就關機和二子級分離，之後發動機噴口朝著回收點的方向，做第二次點火，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，第二是對姿態進行控制。

接下來還有第三次點火，快到著陸點的時候就進行第四次點火，使速度降到5米每秒，著陸緩衝支撐腿再打開。最後也是最驚險的環節——垂直落在地面上。

這個過程說起來好象也挺簡單的，可是Falcon火箭實現海上回收之前失敗了四次，這種執著的精神著實讓我們很感動。同時也說明這個事還是挺難的，難在哪呢？

第一個難點，就是加了回收這一步驟，所以火箭的總體參數優化和設計變複雜了。回收過程中首先它需要有一定動力，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，這時候需要相應的增重一些，而且可能需要對下落的彈道進行調整。所以它是一輪一輪進行迭代。

打個比方，這就好像是又要馬兒多扛貨物，又想讓它本身體重輕，所以整個過程是挺複雜的。

第二個難點，整個垂直返回的精度控制要求高。可以把回收的過程比喻成一個動作——你手上有一支鉛筆，要把這個鉛筆拋出去，而且要讓它垂直落在一個點上。

大家可以想，這個過程中可以分成兩個階段：一個是拋出去以後要準確找到那個點，這個對整個過程中的導航制導精度要求比較高；第二它快要落地時候要垂直下來，不能傾倒，這對它本身姿態的控制要求比較高。

第三點，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%，調節範圍是比較寬的。

第四個是推進劑的管理難度大，它下來的時候，實際上是「半桶水」或者更少，這裡有一個控制的問題。

第五個是著陸時候的緩衝問題。Falcon火箭配了緩衝的裝置，它起的作用是三個，第一個是防止傾倒，第二個是緩衝著陸，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有意思的一個事。但是它也有缺點，其中很大的一個缺點就是火箭子級回收的時候，它的運載能力損失比較大。我們也計算過，如果它返回到原發射場的話，整個運載能力的損失可以達到52%，如果是就近回收，運載能力損失有28%。

實際上各國科學家也在想一些別的回收方式，總的來說各有利弊，我想不久的將來也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，我們業內覺得這是一個很龐大的系統。

舉個例子，它本身的助推級叫BFR，號稱重複使用次數達到1000次，但是它的起飛重量是10500噸。這是什麼概念呢？目前人類製造過的起飛重量最大的運載火箭，也只有3000多噸，助推級是它的三倍。

剛才說了Block5火箭的重複使用次數只有10次，它現在要做到1000次。運載火箭以後要完成1000次回收，可能它的結構就像飛機一樣，能反覆地使用。

我希望跟大家一起繼續享受這些技術的創新和宇宙探索帶給我們的快樂。

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