一文告诉你火箭垂直回收的难度有多大

“火箭垂直回收的难度，犹如在狂风中将一把笤帚竖立在手掌中”——马斯克2024年9月11日，我国自主研发的朱雀三号VTVL-1可重复使用垂直起降回收试验箭，在酒泉卫星发射中心完成10公里级垂直起降返回飞行试验，朱雀三号飞行过程对于此次的成功发射，央妈给出了很高的评价：标志着我国商业航天在可重复使用运载火箭技术上取得重大突破，为将来实现可重复使用的航天发射迈出了关键性的一步。很多网友不以为然，认为这根本不值得一提，评论区也充斥着阴阳怪气的评论。殖人的评论真实情况真像网友所说的那样“别人玩剩下的技术”吗？今天，小编就带大家了解一下火箭的垂直回收技术，以及可重复使用运载火箭的技术难度。由于话题偏理科，全文尽量讲得通俗易懂。废话不多说，直接开始。目前国际上关于火箭回收的方式分为三类：伞降回收、升力式水平回收、垂直回收。伞降回收，类似于伞兵依靠降落伞落地，火箭一般还会搭配气垫减少缓冲，我们的嫦娥六号返回器用的就是伞降回收；升力式水平回收，火箭利用空气动力在大气层内像滑翔机一样飞行，实现平稳返回，主要代表是美国的航天飞机。垂直回收，也称为气动力与主动力联合减速回收，主要依靠火箭发动机进行反推着陆，主要代表是马斯克的猎鹰9。国外运载火箭回收方式论技术难度，垂直回收的难度系数更大，从下面猎鹰9的返回过程，就能够窥见一斑。火箭发射后3分钟后，一二级分离，一级惯性飞行至14万米的最高点；然后一级通过冷气体推进器调转方向开始飞向着陆场；发射4/5分钟后，一级重启发动机进行反推实现减速，并调整与着陆点的距离；一级再入大气层，并进行第二次点火，持续20秒，将降落速度从1300 m/s降低至250 m/s；着陆前发动机会进行第三次点火进行反推实现减速，将速度降至2 m/s；一级的着陆支架打开实现定点软着陆。猎鹰9的返回过程整个过程就像一栋23层的大楼从14万米的高空，以1300 m/s的速度冲向地面，着陆区域是一艘由甲板接驳船改装的无人驾驶船平台，面积大小只有51.81 m×65.22 m，而箭体的着陆支架在展开之后的宽度就有14.7 m，并且保证落地速度小于2 m/s，否则认定为软着陆失败，因为国际对定点软着陆的定义是位置误差不超过50 m，纵向速度不超过 2 m/s。垂直回收火箭用到的关键技术有“发动机推力深度调节技术”、“发动机多次点火技术、”返回段高精度制导与控制技术”、“气动外形优化设计技术”、“贮箱推进剂管理技术”、“着陆支撑”，“再入热防护技术”、栅格舵等这些词汇是不是听着就很陌生？不要挠头，小编一一进行介绍。火箭发动机推力深度调节技术推力调节，顾名思义，是指火箭发动机在运行过程中，通过改变喷口排气的速度、方向或燃料流量等方式，实现对火箭推力的精确控制，原理图就是下面这个样子。具备节流功能的液氧煤油发动机系统组成其主要的技术原理是通过调节推进剂的流量，改变燃烧室的压力，进而改变火箭推力。对于可重复使用运载火箭，推力调节是垂直落地的前提，在最后的精准着陆阶段尤为重要，如果发动机推力无法调节，则几乎只有一条能够满足软着陆的飞行轨迹，一旦偏离只能以失败收场。发动机推力调节的范围越大越好，因为越窄推重比将越大，着陆的可行域越小，控制的难度就越大。目前世界各国的主力火箭推力调节能力目前国际上主流的技术途径：具备流量调节能力的高压降喷注器、多集液腔喷注器、针栓喷注器、气体喷注器、喷管喉部调节等等。无论哪种途径都会面临以下难题。1）发动机燃烧室内推进剂的稳定燃烧随着推力调节深度的增加，发动机偏离了最佳状态，随着燃料和氧化剂的变化，燃烧室可能会产生不规则的压力波动，进而导致发动机内部产生高频振动、熄火、爆炸，在低推力情况下，这种情况更容易发生。2）喷注器和涡轮泵技术喷注器的作用是将燃料和氧化剂雾化，并注入燃烧室使其充分燃烧，为保证喷注器的雾化作用，喷注器的前后压力必须保持在推力室压力的 15%～25%范围内，否则推进剂输送系统稳定度降低。针栓式喷注器原理图涡轮泵技术，为了保证喷注器和推力室的稳定工作，需要改变涡轮泵的工作压头，但推进剂流量的变化，最终会使得涡轮泵偏离额定的工作状态，由此带来综合性能的变化，这些变化涉及到转子动力学、密封性能、流场、水击等各方面的，推力调节范围越宽，对涡轮泵的设计要求就越高，难度也就越大。3）发动机的快速响应和精准调节能力为了保证火箭在飞行过程中能够及时地调整速度和姿态，这就需要发动机在接收到控制系统传来的指令后，能够在极短时间内对推进剂（推进剂包括燃料和氧化剂）的流量进行调节，同时对调节的大小也要求精准计量。猎鹰9的梅林发动机和星舰的猛禽发动机的响应速度都在毫秒级别。4）节流装置的可靠性前面列举了几种调节推进剂流量的方法，无论哪种方法都需要用到节流装置（可以简单地理解为调节阀），这些节流装置不仅要具备精确节流能力，还具备在高温、高压、振动等极端情况下长期工作的可靠性，另外，推力调节速率需要适中，过快将引起发动机系统参数振荡，甚至可能造成发动机损坏，过慢将可能无法满足火箭总体的要求。流量调节器结构图5）结构可靠性在不同推力下，发动机的燃烧室和喷管温度变化很大，这些变化又是短时间内迅速完成，这会使得发动机结构产生热应力，导致材料的强度下降，甚至出现结构破坏，所以在设计之初，必须考虑这些部件能否在多次热循环中保持可靠性。返回段高精度制导火箭在垂直返回过程中，必须依靠高精度的制导技术进行导航，这一技术的难点主要体现在以下几个方面：1）复杂的飞行状态和极端的外界环境按照飞行速度，一次性运载火箭的飞行状态有：亚音速阶段（1马赫）、跨音速阶段（0.8~1.2马赫）、超音速阶段（1.2~5马赫）、高超音速阶段（5马赫以上）、进入轨道速度阶段（23.2马赫），可重复使用火箭除了上面这些以外，还会添加再入大气层阶段、空气动力制动阶段、自由落体阶段、发动机反推和最终着陆阶段。返回时的姿态还有可能180°旋转外部环境更加恶劣，返回过程，大气压力从1个标准大气压递减到0，温度从零下250°C到升到最高1500°C，再降到常温，同时伴随着大气扰动、风切变、湍流等等。极端环境的变化要求传感器的可靠性非常高，像是惯性测量单元（IMU）、GPS、雷达高度计、激光测距仪等，这些传感器必须稳定工作才能保证后台的精确制导。有时候为了提高可靠性，还会进行传感器冗（读Rong，三声）余设计，安装一个传感器万一坏了怎么办？索性多安装几个，这个坏了用另外一个。2） 复杂的制导算法根据传感器传回的信息，制导系统会在极短时间内计算出最优的飞行轨迹，这个过程涉及复杂的数学模型和算法，包括轨迹优化、路径规划、误差分析等等，要求计算机具有极高的计算速度，能够快速准确地处理来自多个传感器的数据并作出决策。制导系统还必须满足一定的自适应性，以应对火箭在返回过程中可能会出现的各种突发情况，例如设备故障、信号丢失等等。Space-X采用的是“在线凸优化制导方法”，并在它的基础上对其进行了改进，使其更好地适用于返回制导，猎鹰9的成功证明了这种方法的可靠性，它可以在零点几秒内对轨迹规划问题进行在线求解，公式就是下面这个样子（不要问小编，小编要是看得懂，就不会在这里熬夜码字）。在线凸优化制导方法在查找过程中，在其他平台上看到很多博主说“这个方法直接让火箭垂直回收成为现实，没有这个方法马斯克不可能实现火箭回收”。来自某乎平台的高赞回答来自某乎平台的高赞回答真实情况是，“凸优化的着陆制导算法”最早在2007年就已经由美国喷气推进实验室（JPL）提出，随后在美国马斯腾空间系统公司（Masten Space System）的垂直起降Xombie小火箭上进行了多次成功测试，从侧面证明Space-X的成功离不开美国本土的技术积累。3）控制与导航系统制导系统除了对发动机进行推力调节外，还要调节安装在箭体外的栅格舵和RCS（反作用控制），配合主发动机进行推力矢量控制，可以为火箭在各个飞行段实现姿态得稳定。格栅舵返回过程对导航精度要求非常高，随着火箭距离着陆场越来越近，大气环境越来越复杂，惯性/卫星组合导航方法已无法满足任务需求，一般还会结合地面导航，例如差分全球定位系统（Differential Global Positioning System, DGPS）。Space-X的猎鹰9在卫星/惯性导航的基础上，又使用了激光/雷达高度计、光学导航、图像处理，通过火箭上配备的摄像头拍摄周围的环境，拍摄的图像通过算法进行处理，以识别地面特征或已知的标志物，帮助火箭进行精确导航。火箭发动机多次起动一次性火箭也会用到多次点火技术，但它主要用于载人舱、货物舱在太空的姿态调整，这些情况下，再次点火所处的外界环境远没有回收火箭所遇到的条件恶劣，所需的推力大小也比不上返回火箭所需的推力大小，技术难度不在一个层面。一般可重复使用火箭至少需要3次点火，起飞一次，再入大气层点火反推一次，快要着陆时一次。发动机多次点火的难点主要集中在发动机自身和外部条件两个方面。1）发动机多次点火方式这是典型的气氢气氧火炬电点火系统原理图国际上，如果需要超过3次以上的点火，一般采用火炬点火、电火花点火、火焰点火等，无论使用哪种方式，点火装置必须满足很高的可靠性和耐用性，因为每次点火时外界的温度、压力、发动机冷却状态都不一样。2）推进剂管理问题相较于一次性火箭，可重复使用运载火箭在返回时，贮箱内必须保留一定量的推进剂供发动机再次起动，在返回过程中，箭体会经历微重力阶段，此时推进剂将处于漂浮状态，所以在发动机再次点火之前，提前保证推进剂处于沉底状态。Space-X是如何解决这种问题的？经过小编查询发现Space-X的星舰火箭采用了多种措施一起进行，包括冷气体推力器、推进剂增压系统、姿态控制、推进剂管理装置等。（冷气体推力器系统：利用储存的高压气体，通常是氮气或氦气，通过喷嘴喷射来提供推力，提供加速度，使推进剂因惯性而沉到底部。推进剂管理装置：如吸液装置、筛网或挡板，这些结构有助于在微重力条件下管理推进剂的位置，防止气泡进入燃料泵。）除了调整贮箱内燃料的状态，还要控制好推进剂的温度，因为在每次启动前，必须确保推进剂在合适的压力下进入燃烧室，但是在微重力条件下，更容易出现推进剂气化、汽蚀。3）再次点火的时间点点火的时间需要经过严格的计算，以猎鹰9的为例，它的第一级在发射时的重量大约是256吨，在完成发射并与第二级分离后，第一级很大一部分的燃料已被消耗掉，此时第一级的重量大约为22吨，减少了90%，受到的重力约为216千牛。第一级所受重力约为216千牛第一级下面配备了9台梅林-1D发动机，根据官网给出的数据，在海平面全功率状态下，单台梅林-1D发动机推力为845千牛，调节范围60%~100%，最小推力为507千牛，假如只启动一台发动机，其产生的最小推力也大于箭体本身所受到的重力。点火的时间需要经过严格的计算所以，火箭在返回阶段，发动机的推力一直大于火箭自身所受的重力，速度朝下，加速度朝上，整个过程是线性的，在着陆那一刻竖直方向速度必须小于2m/s。如果发动机提前点火，这就导致火箭还没着陆又飞上去；如果推迟点火，会导致着陆时刻速度没有降到2m/s以下，硬着陆会导致箭体受损，所以再次点火时间点必须经过精确计算。4）发动机内部的精确控制与协调多次启动要求燃料、氧化剂、点火系统、冷却系统等多个子系统在极短时间内精确同步工作，这种协调的复杂性随着启动次数的增加而增加，任何一个系统的失误都可能导致启动失败。再入热防护技术火箭一级分离再入大气层时的速度可达 20马赫以上，这样的高超音会使得箭体表面温度迅速升到1500℃，所以火箭箭体表面也需要像航天员的返回舱一样加装隔热层。但区别在于，可重复使用火箭的隔热层不仅需要满足基本的隔热需求，还要满足轻量化设计加重复使用，轻量化为了增加有效载荷，重复使用为了减少成本。星舰机翼以Space-X “猎鹰9”的为例，它的隔热材料采用的是低温条件下具有高强度、高熔点和低成本的改良型不锈钢，并在迎风面上安装了一层较薄的轻质隔热片并加上其他散热措施，从而可以大大增强热防护能力。多说一句，这里的不锈钢和我们家里用的不锈钢餐具不一样，航天用的是更耐腐蚀耐高温的301不锈钢，家庭用的一般是304不锈钢。猎鹰9和神州返回舱隔热片性能对比，鉴于保护航天员的需求，返回舱的要求更高一些，但使用次数低。上面这些只是单个部分的技术难度，各个部分组合在一起又会产生各种各样复杂的问题，例如：箭体内多台发动机同时运行，产生耦合共振的问题如何解决？着陆过程中支腿展开时产生的箭体质心和中心剧烈变化如何解决？箭体180°的大范围姿态调整，引起的推进剂大幅度晃动如何问题？到这里以为技术难题就结束了？这才刚刚开始！回收只是手段，最终目的是重复使用。上面这些只是回收阶段需要攻克的技术，落地以后还需要解决重复使用的难题。要想火箭可以重复使用，必须对箭体的和关键部件进行严格的健康检查、维护、维修、更换，确认是否满足二次发射。这就涉及到检测流程、检测内容、检测方法、维修策略、重复使用的评估标准......这些问题不是仅靠技术突破就可以轻松解决，更需要大量的实践积累。上面还只是回收火箭的一级，如果要回收二级等其他级，难度又成倍增加。因为这些入轨级以轨道速度再入大气层，飞行的高度、速度远在一级之上，承受的再入力/热环境是一级的数倍，在控制、 热防护、材料等方面的研制难度则又呈指数级增加，远不如一级重复使用来得容易，目前国际上只有Space-X实现了入轨级的回收。为了方便大家理解火箭的一级二级，找了张图作为参考所以，下次当你仰望星空时，不妨想象一下：也许那颗划过天际的光点，不仅是一次普通的返回，更是一次精心策划的“回家之旅”。一个是重5000吨飞行高度14公里第五次试射的超重型火箭，一个是重68吨飞行高度仅有10公里首次发射的试验箭。面对巨大的差距，难免会让人产生自卑心理。但是面对差距，不同的心态将会有不同的结果，是俯首膜拜？还是裹足不前甘为人后？航天人用实际行动告诉我们：不忘初心，砥砺前行。不忘初心，砥砺前行好了，今天的文章就到这里，如果觉得写得不错，那就请加个关注。

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