美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室“電子號(hào)”火箭是如何完成回收的？

眾所周知，美國(guó)太空探索公司(SpaceX)“獵鷹9”(Falcon 9)運(yùn)載火箭的一子級(jí)早已實(shí)現(xiàn)超過(guò)十次的回收復(fù)用，并且周轉(zhuǎn)時(shí)間最低已降到約27天，最終目標(biāo)是24h內(nèi)快速檢測(cè)并重復(fù)使用，極大降低了“獵鷹9”的單位載荷運(yùn)載成本、縮短了發(fā)射周期。目前，火箭實(shí)驗(yàn)室公司“電子號(hào)”小型運(yùn)載火箭雖然采用了全碳纖維箭體、增材制造電動(dòng)泵液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)等低成本技術(shù)，并且火箭整體通用化、模塊化設(shè)計(jì)，然而“電子號(hào)”的單位運(yùn)載成本依舊居高不下(與其它小型運(yùn)載火箭相比)。

另一方面，根據(jù)火箭實(shí)驗(yàn)室公司的闡述，未來(lái)“電子號(hào)”運(yùn)載火箭的發(fā)射頻率將達(dá)到一周一發(fā)，這使得生產(chǎn)和制造速度根本無(wú)法滿(mǎn)足需求。從目前的情況來(lái)看，“電子號(hào)”一子級(jí)的制造周期約為30天左右，占整箭生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)的40%、成本占整箭的約50%。同時(shí)，火箭實(shí)驗(yàn)室還在積極擴(kuò)展生產(chǎn)能力，但是受到上游供應(yīng)商的限制，生產(chǎn)能力的擴(kuò)展遠(yuǎn)不能夠滿(mǎn)足未來(lái)高發(fā)射頻率的需求。將“電子號(hào)”一子級(jí)由一次性使用轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍貜?fù)使用迫在眉睫，這也是火箭實(shí)驗(yàn)室要推進(jìn)“電子號(hào)”一子級(jí)回收使用的最重要的原因。

“電子號(hào)”火箭升至71km高空后，一子級(jí)的九臺(tái)“盧瑟?！卑l(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，并且與二子級(jí)分離，此時(shí)火箭速度可達(dá)8400km/h。一子級(jí)在慣性的作用下繼續(xù)飛行至170km高度，然后在引力作用下再入大氣層。

在再入過(guò)程中，一子級(jí)將面對(duì)極其嚴(yán)苛的熱環(huán)境，這種再入方式下的力熱載荷會(huì)對(duì)一子級(jí)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響，火箭實(shí)驗(yàn)室將這一過(guò)程形象地稱(chēng)為穿“墻”。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，一子級(jí)再入過(guò)程中的頂峰速度可達(dá)7500km/h(約6Ma)，底部接觸面要承受120kPa的氣動(dòng)壓力和約2400℃的高溫。由于“電子號(hào)”一子級(jí)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的反推減速，完全靠氣動(dòng)減速，這比SpaceX“獵鷹9”一子級(jí)的回收條件更加嚴(yán)苛。

因此，“電子號(hào)”一子級(jí)的底部防熱系統(tǒng)(TPS)需要特別設(shè)計(jì)，但目前火箭實(shí)驗(yàn)室并未公開(kāi)展示TPS方案。參考?xì)鈩?dòng)仿真結(jié)果，一子級(jí)的碳纖維復(fù)合材料箭體表面可能涂覆有抗氧化涂層，按照現(xiàn)有的材料技術(shù)完全能夠承受再入過(guò)程中的高溫。9臺(tái)“盧瑟福”發(fā)動(dòng)機(jī)采用鈦合金超材料增材制造而成，同樣也能承受高溫。

另外，將原本為一次性使用的箭體結(jié)構(gòu)改造為可重復(fù)使用，需要在有限的空間和負(fù)載裕度的條件下增加姿態(tài)控制系統(tǒng)(RCS)、定位系統(tǒng)、降落傘系統(tǒng)以及熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)等，這為箭體優(yōu)化帶來(lái)了極大的設(shè)計(jì)難度。火箭實(shí)驗(yàn)室在一子級(jí)和二子級(jí)的級(jí)間段安裝了RCS，用來(lái)在再入過(guò)程中調(diào)整箭體姿態(tài)，保證箭體垂直且發(fā)動(dòng)機(jī)始終朝下降落;安裝了定位信號(hào)發(fā)射設(shè)備;安裝了能夠承受數(shù)噸減速拉力的降落傘系統(tǒng)。

火箭實(shí)驗(yàn)室“電子號(hào)”的回收方案采用“無(wú)動(dòng)力氣動(dòng)減速+直升機(jī)空中捕獲”的方案，特點(diǎn)是回收所需的輔助載荷質(zhì)量小;空中捕獲不會(huì)濺落至海面后造成腐蝕，且效率高。

火箭實(shí)驗(yàn)室針對(duì)“電子號(hào)”一子級(jí)的回收設(shè)計(jì)了“三步走”策略：第一步，利用制導(dǎo)控制確保一子級(jí)降落位置可控;第二步，利用降落傘實(shí)現(xiàn)減速濺落;第三步，利用直升機(jī)空中捕獲實(shí)現(xiàn)回收復(fù)用。

2019年12月，在“跑出手掌心”(“Running Out Of Fingers”)第十次“電子號(hào)”發(fā)射任務(wù)中首次嘗試一子級(jí)再入試驗(yàn)。本次試驗(yàn)火箭實(shí)驗(yàn)室的主要目的是收集一子級(jí)再入大氣層過(guò)程中的重要數(shù)據(jù)，他們?cè)诩?jí)間段安裝了飛行記錄設(shè)備，被稱(chēng)為BRUTUS(Blackbox Recorder and Useful Telemetry Upload System)，也即火箭“黑匣子”，是一個(gè)緊湊可靠的數(shù)據(jù)采集裝置，改裝自美國(guó)Maxwell立方星部署裝置。

BRUTUS的主要功能是：對(duì)級(jí)間段上RCS施加指令，控制再入攻角;實(shí)時(shí)傳輸和記錄視頻、加速度、溫度、氣壓等再入階段的資料和數(shù)據(jù)。

基于第一步試驗(yàn)的成功，火箭實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始為“電子號(hào)”一子級(jí)設(shè)計(jì)主降落系統(tǒng)(Main Descent System，MDS)。MDS的核心是一個(gè)三級(jí)降落傘系統(tǒng)，由超聲速引導(dǎo)傘(Supersonic Pilot Parachute)、超聲速穩(wěn)定阻力傘(Supersonic Stabilising Drogue Parachute)和亞聲速收縮環(huán)形主傘(Subsonic Reefed Ringsail Main Parachute)組成，可以使最終濺落速度降低到10m/s。

超聲速引導(dǎo)傘在距離地面約6km高度通過(guò)發(fā)射裝置噴射而出，發(fā)射裝置由獨(dú)立的氮?dú)鈬娚潋?qū)動(dòng)。隨即引導(dǎo)出超聲速穩(wěn)定阻力傘，之后亞聲速環(huán)形主傘跟隨穩(wěn)定阻力傘被拉出。穩(wěn)定阻力傘拉開(kāi)后，一子級(jí)的降落速度迅速?gòu)?.5Ma降低到0.3Ma。

為了防止主傘快速?gòu)堥_(kāi)導(dǎo)致過(guò)大的超重，使一子級(jí)和級(jí)間段結(jié)構(gòu)毀壞，亞聲速環(huán)形主傘由一個(gè)收縮裝置限制，首先展開(kāi)約主傘總面積的5%，然后在10s內(nèi)逐漸全部展開(kāi)。

即使有收縮裝置的限制，在主傘打開(kāi)過(guò)程中，級(jí)間段的瞬時(shí)拉力可以達(dá)到60kN，為了保證級(jí)間段能夠承受住極大的壓力，火箭實(shí)驗(yàn)室對(duì)級(jí)間段進(jìn)行了加固，專(zhuān)門(mén)定制了一套極大強(qiáng)度的降落傘連接、釋放機(jī)構(gòu)。

2020年11月，火箭實(shí)驗(yàn)室在“重新返回”(“Return to Sender”)“電子號(hào)”第16次發(fā)射任務(wù)中，對(duì)一子級(jí)主降落系統(tǒng)(MDS)進(jìn)行了試驗(yàn)，成功完成了首次一子級(jí)的回收。在任務(wù)中，回收?qǐng)F(tuán)隊(duì)駐扎在距預(yù)計(jì)降落點(diǎn)10海里的位置，于一子級(jí)濺落海面后1.5h抵達(dá)，采用回收船上的吊車(chē)將一子級(jí)平放到甲板上，隨后運(yùn)回火箭實(shí)驗(yàn)室公司位于新西蘭奧克蘭的生產(chǎn)廠(chǎng)(Auckland Production Complex)。

2021年3月，“電子號(hào)”第20次發(fā)射任務(wù)中，火箭實(shí)驗(yàn)室第二次進(jìn)行了一子級(jí)回收試驗(yàn)，T+449s引導(dǎo)傘打開(kāi)、T+470s一子級(jí)速度降為亞聲速、T+520s主降落傘展開(kāi)、T+524s濺落在海面。

就在主降落系統(tǒng)(MDS)研制完成后5個(gè)月，2020年8月，火箭實(shí)驗(yàn)室在新西蘭連續(xù)進(jìn)行了兩次一子級(jí)的拋投試驗(yàn)，模擬了一子級(jí)下落過(guò)程中的典型氣動(dòng)特點(diǎn)，驗(yàn)證了MDS的可靠性。兩架火箭實(shí)驗(yàn)室的貝爾429直升機(jī)參與了試驗(yàn)，一架部署在2438m高空，下掛模擬一子級(jí);另一家部署在1524m高空，準(zhǔn)備在空中進(jìn)行捕獲。模擬一子級(jí)被釋放后，立即按程序打開(kāi)MDS，緩慢降落過(guò)程中直升機(jī)通過(guò)一個(gè)三角鉤掛住引導(dǎo)傘和主傘之間的繩纜，成功實(shí)現(xiàn)回收。

不同的是，在該實(shí)驗(yàn)任務(wù)中主降落傘并非環(huán)形主傘，而是翼傘結(jié)構(gòu)，同樣由引導(dǎo)傘牽引展開(kāi)。由于環(huán)形傘是利用巨大的傘衣承受空氣阻力，幾乎沒(méi)有自主的水平速度，完全隨風(fēng)飄移。而翼傘根據(jù)飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力而設(shè)計(jì)，水平速度能夠控制。采用翼型傘進(jìn)行試驗(yàn)的目的可能一方面是為了模擬真實(shí)一子級(jí)再入過(guò)程中較高的水平方向速度，使試驗(yàn)更加真實(shí);另一方面是為了測(cè)試直升機(jī)在較高水平速度下捕獲的可行性。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司期待成為SpaceX后下一個(gè)掌握回收技術(shù)的私營(yíng)商業(yè)公司，也學(xué)習(xí)到了SpaceX高頻高效的試驗(yàn)方式，短短數(shù)月內(nèi)的兩次一子級(jí)濺落回收為以后的直升機(jī)捕獲回收提供了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

此外，火箭實(shí)驗(yàn)室在不大規(guī)模增加“電子號(hào)”無(wú)效負(fù)載的基礎(chǔ)上完成了一子級(jí)回收方案的設(shè)計(jì)，通過(guò)回收試驗(yàn)測(cè)試了箭上電腦、慣導(dǎo)裝置(IMU)、姿態(tài)控制系統(tǒng)(RCS)、傳輸系統(tǒng)、熱防護(hù)系統(tǒng)還有降落傘系統(tǒng)(MDS)的性能。雖然直升機(jī)空中捕獲尚未實(shí)踐，但按目前的進(jìn)度來(lái)看不久應(yīng)該會(huì)開(kāi)始試驗(yàn)。