火箭如何實現(xiàn)自主返回——導航找到精準落點

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可重復使用火箭屬于能夠被多次使用的航天運載器，在這個家族中除了NASA的航天飛機能夠被重復使用外,，其余的運載工具都無法實現(xiàn)被再次利用,。傳統(tǒng)的多級火箭基本屬于一次性使用產(chǎn)品,，從第一級到上面級,，完成使命后就被拋棄了,，分離后,，發(fā)動機也隨之損失,。為了降低航天發(fā)射的費用，美國與前蘇聯(lián)都開啟過火箭重復使用的計劃,，蘇聯(lián)在能源號火箭的研制過程中曾提出將RD-0120發(fā)動機進行重復使用驗證,，但收效甚微。

美國航天機構在航天飛機固體助推器上實現(xiàn)了重復使用,，通過一系列的起爆分離裝置讓助推器與主體分離,，然后開傘濺落。這種方式雖然在一定程度上降低了費用,，但可重復使用性仍然不高,，助推器的外殼也會在濺落過程中受海面沖擊而變形。需要注意的是,，航天飛機的運行成本較大,，已經(jīng)背離了當初對可重復使用概念設想，因此研發(fā)新一代可重復使用的航天運載器成了降低入軌費用的最佳途徑,。
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火箭的可重復使用性一般從兩個方面入手,，第一個是重復使用發(fā)動機；第二個是部分結構或整體可重復使用,。早期火箭設計之所以為一次性使用,，是因為重復使用的經(jīng)濟性太差，還不如一次性使用劃算,，而且重復使用的技術難度仍然不小,。進入21世紀后，火箭發(fā)動機技術逐漸成熟，于是SpaceX公司在2012年進行了“蚱蜢”火箭的驗證性試飛,，第一次試飛高度僅為1.8米,，在空中停留了3秒，證明了火箭垂直降落的可能性,。在之后的一年多的時間內(nèi),，SpaceX公司陸續(xù)進行了多次試飛，高度逐漸提升到700多米,，并展示出箭體對橫風的控制能力,，說明SpaceX公司掌握了火箭自主降落的狀態(tài)控制技術。隨后我們看到了SpaceX公司設計的著陸支架,，并安裝在“獵鷹9號”火箭第一級發(fā)動機圍殼周圍,。從SpaceX公司的對可重復火箭的發(fā)展歷程上看，實現(xiàn)發(fā)動機及其部分結構的可重復使用是完全可行的,。

SpaceX公司通過“蚱蜢”火箭累計了火箭自主降落技術,，其技術難點主要集中這幾個方面：

1. 擁有成熟且先進的發(fā)動機技術

可重復使用火箭在返回級降落時需要發(fā)動機提供“隨叫隨到”的推力服務，返回過程的程序飛行需要發(fā)動機多次開機,、關機,，停啟性能必須滿足設計要求，發(fā)動機工況也要維持在更高的水平上,。尤其是當前發(fā)射場基本都建在海岸附近,，高鹽、高濕環(huán)境對發(fā)動機工況的維持其實是不利的,，各部件在滿足高速運轉(zhuǎn)時也要對抗環(huán)境的不利因素,。

值得一提的是，可重復使用火箭的返回級發(fā)動機還需要保持較高的減損控制率,，否則即便返回級安全抵達地面也無法在短時間內(nèi)投入下次發(fā)射,，甚至需要進行大修才能滿足發(fā)射的要求，這也違背了可重復使用的初衷,。同時還要有一套健康與故障診斷系統(tǒng)來監(jiān)控發(fā)動機的狀態(tài),，從而判斷返回后的發(fā)動機能否投入下次發(fā)射。

“獵鷹9號”上使用的灰背隼-1D發(fā)動機被認為是史上最優(yōu)秀的液體火箭發(fā)動機之一,，海平面推力為55噸左右,，推比達到150，該發(fā)動機技術較為成熟,，能夠為“獵鷹9號”第一級返回提供較高的安全性和可靠性,。灰背隼-1D比此前使用灰背隼-1C型號在推力表現(xiàn)上更強悍一些,，單臺推力提升20噸以上,，推比增加了三分之一,，灰背隼-1D在美國德克薩斯州McGregor中心完成了持續(xù)點火測試，并獲得進入商業(yè)發(fā)射的資格,。
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2. 先進的控制與導航技術

“獵鷹9號”第一級大約在發(fā)射后3分鐘完成工作,，并與第二級分離，進入自主降落程序,。從中可以看出返回級的工作初始高度一般都較高,，至少在大氣上層，而且初始速度很大,，達到亞軌道飛行的速度值。箭體在返回過程中會經(jīng)歷短時間的飛行環(huán)境劇變,，這給控制與導航增加了難度,，比如返回級分離后的慣性制導系統(tǒng)加速度計需要快速計算，并在氣動控制較弱的環(huán)境下對箭體姿態(tài)進行調(diào)整,，提供高精度的飛行狀態(tài)初始信息,。如果是完全可重復使用的返回級，再進入大氣層時就需要精度更高的軌道修正,，確保最后能通過無動力滑翔著陸,。

當返回級進入數(shù)千米的高度后，箭體上搭載的雷達高度表開始發(fā)揮主要作用,，為箭體的狀態(tài)控制提供實時且連續(xù)的信號,，同時配合激光測距儀的工作，最終返回火箭能夠準確找到降落地點,，降落在長度大約為90米,，寬度為50米的海上移動駁船平臺上。
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3. 減震性能極佳的著陸支撐裝置

可重復使用火箭使用的返回著陸裝置主要為氣囊式緩沖和著陸支架減震模式,，這兩者在行星際探測器上比較常見,，NASA的兩輛火星車都使用了氣囊式緩沖著陸，著陸支架減震更是一抓就有一大把,，鳳凰號號稱在著陸支架上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水滴狀物質(zhì),，當時，科學家推測是反推發(fā)動機將凍土中的冰水物質(zhì)加熱,，最后附著在著陸支架上,。

) v0 Y; X  {6 }; m; v7 b. R9 t8 W“獵鷹9號”上使用了可收放的支撐腿作為著陸裝置，當然這僅限于像“獵鷹9號”這樣的小型返回級,，如果是質(zhì)量更大的返回級,，那支撐腿著陸方式無法實現(xiàn)足夠的吸能效果。從目前著陸裝置的研究來看,，液壓式減震緩沖裝置較為可行,，能夠?qū)崿F(xiàn)多次使用,，其阻尼系統(tǒng)在多次緩沖后仍然不會受到太大的影響。同時,，返回級箭體還可以增加著陸支撐點的數(shù)量,，達到更好的穩(wěn)定性能。
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SpaceX 公司的“獵鷹9號”是一種能夠?qū)崿F(xiàn)第一級發(fā)動機自主返回的火箭,，該公司的目的就是使入軌費用進一步降低,。當前，“獵鷹9號”的發(fā)射費用在5000萬美元左右,，如果使用第一級自主返回,，那么費用則低于這個數(shù)字，假如第一級和上面級全部返回,，那么發(fā)射單價將更低,。按照SpaceX公司對獵鷹家族的計劃表，“重型獵鷹”也將設計成可重復使用,，屆時,，商業(yè)航天領域?qū)⒂瓉硇乱惠喌南磁啤Ｈ胲壻M用降低后,，各種近地軌道業(yè)務也會如雨后春筍般涌出,，在軌道上建造一個工廠、將月球礦產(chǎn)帶回地球,、開拓火星航線等等都不再是奢望,。
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changkongceyi

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