“伞降海捞”和“垂直反推”谁才是火箭实验室的“真爱”.pdf
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1、太空探率视点“伞降海捞”努”和垂直反推”谁才是火箭实验室的“真爱文/田丰2023年7 月1 8 日,火箭实验室公司(以下简称“公司”)的电子号小型运载火箭执行了其第3 9 次发射,此次发射中,火箭成功将7 颗小卫星成功送入太阳同步轨道。但本次任务中最受关注的并不是载荷,而是公司首次采用“箭体伞降,缓降落海,船只打捞”的新方案尝试回收火箭一级。打捞电子号运载火箭一级3412023.10 SPACEEXPLORATION视点太空探索回收方案大改“空接”变成“海捞”“电子号”是一款高1 8 米,直径1.2 米,起飞质量1 2.5 吨,低轨运力仅有3 0 0 千克的两级小型运载火箭。该火箭原始设计是传
2、统一次性运载火箭,然而受近年来火箭回收风潮的影响,公司于2 0 1 9 年决定采用降落伞缓降+直升机空中捕获的方式进行回收。“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,因此公司经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,公司在2 0 2 2 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,然后再将箭体投放至专用回收船上
3、,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,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1 1 月,第二次试验中因箭体遥测信号丢失,安全起见只得放弃回收,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,2 0 2 3 年公司毅然决定直接放弃高风险的“空接”环节,直接在发射中尝试“伞降缓落+海上打捞”的新回收模式。伞降落海此次发射的火箭升空约2 分3 0秒后,一二级按发射程序正常分离,二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
4、稳落水后,专用回收船将其成功打捞,公司宣布试验成功,并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。空接历史“悠久”方案不断迭代在回收方式的迭代中,从“捕获”向“打捞”转变并非火箭实验室公司的专利,太空探索技术公司在尝试利SPACEEXPLORATION 2023.101 35太空探率视点SEAWORKERWELLINGTON火箭一级打捞上船用带网回收船捕获猎鹰9 火箭整流罩的试验过程中,也曾因捕获难度高、气象条件制约显著,最终宣告放弃捕获,改为落海后打捞。一项创新技术和模式,势必在试验过程中不断尝试和总
5、结,在遭遇瓶颈和获取足够支撑数据时及时调整成新的可行方案是完全合理的。不过纵观航天史,用飞机从空中捕获伞降物并非“技术突破”。早在冷战时期美国国家侦察局研发“锁眼”系列侦察卫星时,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中,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带有捕获钩的固定翼飞机在空中捕获。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%。而电子号火箭一级无论是体积、重量都远高于胶卷返回舱,回收难度更高,所以空接试验屡屡失败也在情理之中。有“锁眼”返回舱的“教训”在前,火箭实验室
6、公司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肘下的无奈之举。若采用“猎鹰9”垂直起降方案,不仅需增设多种设备,还需预留回收反推用推进剂,使有效运力骤减,这对运力本就不大的“电子号”而言几乎是不可行的。因此,公司不得不另辟蹊径。此外,“电子号”采用电池驱动的电动泵循环,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;还有为保证反推时发动机的稳定工作,贮箱也需要额外的推进剂沉底改造,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
7、将导致1 0%1 5%的有效运力损失,运力下降幅度显著小于垂直起降方案。在2 0 2 2 年两次失败的空中捕获尝试后,公司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仍可接受,甚至声称部分零部件已具备重复使用的条件。因此,2023年3 月公司明确表示将放弃直升3612023.10SPACEEXPLORATION视点太空探索机空中捕获的方案。而且公司还为火箭回收船增配了新的起重机和平台,以减小将火箭从海面捞起时受损的可能。单发复用小试牛刀除了回收船的改进,公司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。EXIT公司认为结合
8、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7 0%。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。此外,公司表示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2 0 1 7 年“猎鹰9”刚开始复用发射后类似,但事实上随着回收火箭可靠性的不断累积,太空探索技术公司逐步扩大复用火箭的适用范围,现已在军用、商碳纤维贮箱试验件首次复用发动机发射,也是“电子号”第40 次发射SPACEEXPLORATION 2023.10137太空探率视点业、载人任务中普遍使用复用火箭,单芯级最高复用次数
9、已经高达1 7 次,而全新火箭发射反倒成为稀罕事儿。就在火箭实验室公司宣布“空接”改“海捞”一个月后,8 月2 3 日,“火箭实验室”又成功进行了一次发射,将卡佩拉航天公司(Capella Space)的一颗空间雷达成像卫星送入轨道。但此次发射最引人瞩目的是电子号火箭一级9 台“卢瑟福”发动机中,有一台是之前泡水回收后翻修的复用发动机。这是人类航天史上第一次在轨道级发射中公开复用海水浸泡后翻修的发动机,打破了液体火箭发动机泡水不能复用的禁忌。一般认为液体火箭发动机结构精密复杂,被具有腐蚀性的海水浸没后几乎失去复用价值,此前从未有过液体火箭发动机被水泡后进行翻修发射的记录。但公司在实际打捞回收后
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