“空接”换“海捞”，电子号火箭回收初获成功

2024-11-09 00:35:47 分类：探索 阅读(8142)

7月18日，空接美国火箭实验室公司的换海号火获成电子号小型运载火箭执行了第39次发射。此次发射中，捞电火箭成功将7颗小卫星送入太阳同步轨道
。收初但本次任务中最受关注的空接并不是载荷，而是换海号火获成该公司首次采用“箭体伞降、缓降落海、捞电船只打捞”的收初新方案 ，尝试回收火箭一级。空接回收方案大改“电子号”是换海号火获成一款高18米、直径1.2米、捞电起飞重量12.5吨、收初低轨运力仅有300公斤的空接两级小型运载火箭。该火箭的换海号火获成原始设计是传统的一次性运载火箭 ，然而受近年来火箭回收风潮的捞电影响 ，火箭实验室于2019年决定采用“降落伞缓降+直升机空中捕获”的方式进行回收 。船只打捞回收电子号火箭一级由于“电子号”是液体运载火箭 ，采用碳纤维复合材料贮箱，不同于航天飞机时代曾采用伞降落海回收的钢壳固体助推器，落海的冲击和水中的盐分都有可能对“电子号”的贮箱 、发动机和航电设备造成损伤和腐蚀。因此火箭实验室经过评估后，一直力图从空中捕获火箭，从而减少复用翻修的工作量。此后  ，经过为期3年的再入防热 
、伞降控制、直升机跟踪等各项实验后，火箭实验室在2022年两次尝试使用直升机机体下方的专用捕获钩“拦截”箭体 。2022年5月的首次试验中
，直升机成功捕获箭体，之后应将箭体投放至专用回收船上  ，但捕获后直升机机组发现 ，下方悬吊的箭体与之前模拟箭体重量不同 ，为安全起见，机组只能切断绳索，让箭体坠落水面，试验宣告失败。2022年11月，第二次试验中
，箭体遥测信号丢失，火箭实验室只得再次放弃回收，试验再次失败 。两次失败的试验结果，加上对落海后打捞箭体的评估分析
，2023年火箭实验室毅然决定 ：放弃高风险的空接环节 ，直接在此次发射中改为尝试“伞降缓落+海上打捞”的新回收模式 
。此次发射的火箭升空约2.5分钟后 ，一二级按发射程序正常分离，二子级点火后继续正常执行任务
。而一级关机分离后开始下降
，首先打开引导伞，稳定箭体姿态，随后降落伞打开 ，减缓箭体下落速度，同时携带的信标系统持续发送箭体坐标。箭体平稳落水后，专用回收船将其成功打捞，试验宣布成功
。火箭实验室表示，打捞后的火箭一级状态良好 ，不过尚不能给出实现重复使用的时间表 ，在后续进行若干次相关试验后，有望在今年晚些时候先行实现发动机的回收复用。空接方案历史悠久早在冷战时期 ，美国国家侦察局研发锁眼系列侦察卫星 。限于当时的技术水平，“锁眼”早期型号的遥感图像只能储存在特制胶卷中，并放置在小型返回舱内。拍满后，返回舱与卫星分离并再入大气层。返回舱打开降落伞后 ，即由改造的固定翼飞机在空中捕获。电子号火箭一级伞降下落根据历史数据 ，空中捕获方案受制于落区天气、飞行员操作水平等不可控因素影响 ，回收成功率不足70%。而电子号火箭一级的体积、重量都高于“锁眼”返回舱，其回收难度更高
，所以火箭实验室试验失败也是情理之中。有“锁眼”返回舱的“教训”在前，火箭实验室为何还采用这种方案呢？业界普遍认为 ，这是火箭自身体量和技术水平掣肘下的无奈之举 。若采用猎鹰9火箭的垂直起降方案，不仅需要增设多种设备 ，还需要预留回收反推用推进剂，使有效运力骤减 。所以，火箭实验室不得不另辟蹊径。不仅如此，“电子号”采用电池驱动的电泵循环，而且为减轻死重，采用了上升段电池可抛的设计，如果改为垂直起降方案，发动机就必须重复启动并维持工作 。为保证反推时发动机稳定工作，贮箱也需要额外实施推进剂沉底改造 ，这就不得不对“电子号”的原设计进行大刀阔斧的修改。这些变更不仅有可能拖慢“电子号”的发射频度，还有可能影响型号成功率 。根据消息 ，“电子号”配备伞降回收设备将导致10%～15%的有效运力损失，运力下降幅度确实少于垂直起降。在2022年两次失败的空中捕获尝试后 ，火箭实验室重新评估了其风险和难度。尤其是空中捕获失败落海的火箭经过打捞和评估后，公司认为落海的火箭状态也可以接受，甚至声称部分零部件已具备重复使用的条件
。因此 ，2023年3月，火箭实验室明确表示将放弃直升机空中捕获的方案。他们还为火箭回收船增配了新的起重机和平台
，以减少将火箭从海面提升时受损的可能。垂降并行研发除了回收船的改进
，火箭实验室还在箭体结构中加入了额外的防水材料，并强化了航电舱和发动机的密封结构。公司认为
，结合海况和任务性质，仅有50%的发射可以开展空中捕获，而改为落海打捞后
，则可提升至70%。公司表示，虽然落海回收会导致部分零部件无法复用
，但是对比直升机空中捕获的费用和成本，两者的经济性基本持平。电子号火箭一级漂浮在海面上此外，公司后续将根据任务的性质和客户要求，仅在部分任务中使用复用火箭 。这一说法与2017年猎鹰9火箭刚开始复用发射时类似，但事实上随着回收火箭可靠性的不断累积 ，SpaceX公司逐步扩大复用火箭的适用范围
，现已在军民领域无人、载人任务中普及使用复用火箭。虽然火箭实验室在伞降回收模式上渐入佳境 ，但并不代表他们要在伞降方案上“一条路走到黑”。2022年  ，火箭实验室宣布研发名为“中子号”的新型火箭 
，高43米，直径7米 ，起飞重量480吨 ，最新的近地轨道运力指标为13吨 。其体量显然远超现役的电子号火箭，随之而来的就是“中子号”进行伞降回收的难度陡增，因此公司在发布会上明确表示 ，“中子号”采用类似猎鹰9火箭的垂直起降方案。但为体现差异化，火箭实验室设计了一个超长的一级箭体 ，整流罩直接设置在一级顶端 ，形成了“罩箭一体”的方案 ，而火箭二子级和载荷则被整体包裹在超长整流罩内，变成了类似“半人马座”的“罩内上面级”
。如此一来，火箭一级和整流罩就可以一次性整体降落在回收平台上，而不必分别实施回收。2023年，火箭实验室公开展示了多项“中子号”的研制进展，可见垂直起降方案也在研发中。总体来讲
，“电子号”回收方式的这轮优化迭代不失为一次火箭复用的有益尝试。正所谓“一枝独秀不是春，百花齐放春满园” ，越来越多的火箭回收方式使复用理念得到了前所未有的普及 。但也应看到 ，伞降回收方案对火箭自身规模、海况、安全性的限制
，使其短期难以撼动已经成熟的垂直起降回收方案。不过，常言道“存在即合理” ，这种方式也有投入少 、技术门槛低的显著优点 。理论上，伞降回收仅需伞舱 、定位信标和一艘回收船即可开展，虽然落海导致的翻修和密封工作量骤增，但该方法仍不失为同类小型运载火箭降本增效的另一蹊径 。本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》7月29日二版文/田丰原标题：《“空接”换“海捞”，电子号火箭回收初获成功》