太空探索技術(shù)公司

在美國的民營商業(yè)空間公司中，成立于2002年6月的太空探索技術(shù)（SpaceX）公司率先提出了低成本商業(yè)發(fā)射模式，重點(diǎn)研制一款低成本、高可靠性的可回收運(yùn)載火箭，在發(fā)射任務(wù)完成后能垂直地落回地面，重新加注燃料后可再次發(fā)射。據(jù)稱這種方式能將發(fā)射成本降低至傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的十分之一。

“獵鷹9號(hào)”火箭

SpaceX研制的第一款運(yùn)載火箭是“獵鷹1號(hào)”。火箭的第一級(jí)采用Merlin火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)以航空煤油和液氧作為推進(jìn)劑，推重比大且價(jià)格低廉；第二級(jí)為同樣使用航空煤油和液氧燃料的Keserel發(fā)動(dòng)機(jī)。運(yùn)載火箭的第一級(jí)在發(fā)射任務(wù)完成后可利用降落傘系統(tǒng)減速降至海面回收并重復(fù)使用，但在“獵鷹1號(hào)”的第一次發(fā)射中，Merlin火箭發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榘l(fā)生火災(zāi)而失敗。

隨后，SpaceX對設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，就是現(xiàn)在研制的“獵鷹9號(hào)”運(yùn)載火箭，其第一級(jí)采用9臺(tái)Merlin 1D火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（中間1臺(tái)、周邊均勻布置8臺(tái)），第二級(jí)采用1臺(tái)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)。在發(fā)射火箭時(shí)，第一級(jí)9臺(tái)Merlin 1D臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能提供5850kN的推力。

“獵鷹9號(hào)”火箭所采用的是以動(dòng)力反推力實(shí)現(xiàn)垂直下降的回收方案。第一級(jí)火箭在返回過程中，通過箭體上的液氮推進(jìn)器來調(diào)整姿態(tài)，以應(yīng)對氣動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)的影響，防止箭體在下降過程中出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)，同時(shí)，箭體的四周安裝了4個(gè)柵格翼，以增加火箭在回收著陸過程中的穩(wěn)定性，控制火箭向地面平臺(tái)降落。“獵鷹9號(hào)”運(yùn)載火箭的造價(jià)約為1600萬美元，而燃料只值20萬美元，如果能實(shí)現(xiàn)第一級(jí)火箭回收的常態(tài)化，就能大大降低發(fā)射成本。SpaceX公司稱，目前只是確保第一級(jí)火箭可以回收，但是在SpaceX的遠(yuǎn)期計(jì)劃中，兩級(jí)火箭皆可被完全回收并重復(fù)使用。

這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于：首先，“獵鷹9號(hào)”火箭有14層樓高，爬升時(shí)的速度達(dá)1.6km/s，要讓火箭從高速直線上升轉(zhuǎn)為垂直下降，猶如在狂風(fēng)中讓掃帚柄直立于手掌；其次，“獵鷹9號(hào)”需要在一艘“自主航天港無人駕駛駁船”（ASDS）上著降，而ASDS的寬度僅30m，這就要求有很高的著降精確度，加之在海上的ASDS是浮動(dòng)的，火箭必須借助發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)保持下降時(shí)的平衡與穩(wěn)定。

除了在運(yùn)載火箭下降過程中要對火箭的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，如何利用發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火來控制下降速度則是另一項(xiàng)難點(diǎn)。在第一級(jí)與第二級(jí)火箭分離后，第一級(jí)通過重起火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速，待運(yùn)載火箭快要臨近海面時(shí)，再重起另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，使火箭從最初的1300m/s的速度減到2m/s，配合帶有液壓減震器的4個(gè)著陸支架，使其最終降落精度在10m之內(nèi)。

與“獵鷹1號(hào)”相比，“獵鷹9號(hào)”最大的不同是帶有4條鋼鋁結(jié)構(gòu)的“腿”作為液壓減震器。這4條“腿”使火箭能抵御垂直降落時(shí)的巨大沖擊而不致嚴(yán)重?fù)p壞，而且火箭的頂端和外層全部采用超強(qiáng)度鋁鋰合金材料制成，且后蓋上有特制的隔熱板，以保護(hù)火箭在重返大氣層時(shí)免遭損壞，所以火箭在回收后只需稍加維修，便可重復(fù)使用。

試飛歷程

“獵鷹9號(hào)”經(jīng)歷了多次飛行試驗(yàn)，在2014年10月的試驗(yàn)中，“獵鷹9號(hào)”火箭由發(fā)射臺(tái)點(diǎn)火后升空至744m，然后又垂直降落回發(fā)射臺(tái)，整個(gè)試驗(yàn)過程持續(xù)78.8s，火箭的第一級(jí)降落地面后外觀保持完好。但是接下來在2015年1月6日，SpaceX公司原本計(jì)劃在美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射“獵鷹9號(hào)”，但在倒計(jì)時(shí)進(jìn)入1min時(shí)發(fā)射任務(wù)被緊急終止，公司稱原因是火箭的“二級(jí)推力矢量控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)生飄移”。2015年1月10日，SpaceX公司首次成功地從卡納維拉爾角航天發(fā)射場用“獵鷹9號(hào)”運(yùn)載火箭將“龍”飛船送到太空，并在繞地球軌道運(yùn)行兩周后安全濺落在太平洋預(yù)定海域，但這次的火箭海上回收再次以失敗告終，火箭在海上浮動(dòng)的無人駕駛駁船上硬著陸并損毀。

“獵鷹9號(hào)”的第一次成功回收是在2015年12月21日，當(dāng)火箭將11顆軌道通信衛(wèi)星發(fā)射到低地球軌道后，第一級(jí)火箭返回并成功地向下垂直降落在預(yù)定的降落場上。這也是“獵鷹9號(hào)”的第20次太空飛行，此前都是直接墜入大海或爆炸損壞。但是在今年1月17日，SpaceX公司用“獵鷹9號(hào)”將Jason-3衛(wèi)星發(fā)送到軌道后，試圖再次在太平洋上一艘修復(fù)后的駁船上降落時(shí)，因?yàn)檫\(yùn)載火箭著陸架接地后傾斜翻倒，未能實(shí)現(xiàn)完美的回收。原因可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在減速控制上并不十分準(zhǔn)確，加上海上風(fēng)速較大，導(dǎo)致降落速度未能控制良好。

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