北京时间4月9日，美国东部的大西洋上，一艘驳船在大海中飘来荡去，等待着迎接“猎鹰9号”的再次回归。它曾在上一次失败的回收任务中，被火箭砸出了一个大坑。这次，它将迎来的是另一个大坑，还是如它的名字“当然，我依旧爱你”一般的美好画面？一切充满未知。
当日凌晨4时52分，执行了向国际空间站运送货物的美国太空探索技术公司（Space—X）“猎鹰9号”喷射着火舌奔向在大海中飘摇的驳船，准备第五次尝试海上一级火箭回收。它已经失败过四次。虽然在2015年的12月，Space—X在陆上成功回收一级火箭，但这无法与海上回收火箭成功相比。
短短的三秒钟内，“猎鹰9号”一级火箭打开起落架，在火光与烟尘中稳稳站在了驳船上，没有前几次随之而来的倾倒与爆炸。就像是大风中一根扫帚立在地上。这宣布了人类首次海上回收有动力一级火箭的成功，Space—X在努力多次之后，终于能将这根细长的火箭安全带回海面。在证实人类回收火箭的技术可行性之后，或许也即将带来人类的廉价航天时代。
●南方日报驻京记者 王腾腾
若能重复使用火箭 发射费用将降至现在的70%
2015年12月22日，美国太空探索技术公司（Space-X）用“猎鹰9号”火箭成功发射了轨道通信公司的11颗小型通信卫星。这是“猎鹰9号”火箭自2015年6月28日发射失败以来的首次发射以及升级版“猎鹰9号”火箭的首次使用，更重要的是“猎鹰9号”火箭在世界上首次成功进行第一级有动力垂直回收。
“这在人类历史上率先验证了轨道运载火箭的回收技术，为未来打造可重复使用运载火箭，大大降低运载火箭发射成本奠定了重要技术基础。”北京空间科技信息研究所研究员、《国际太空》杂志主编庞之浩说。
在目前的航天发射中，发射成本居高不下，一次性的运载火箭极其昂贵。众所周知，目前的运载火箭都是一次性使用的，长久以来航天发射成本居高不下，发送质量1kg物质上天的成本约为1万—2万美元，大大影响了人类开发太空的规模和效益。
即使是号称廉价的猎鹰9号火箭，根据太空探索技术公司官方网站的发射报价，也已经涨价到了6120万美元。而且，这其中尤其以第一级火箭所占比例最大，无论是发动机还是燃料使用，第一级火箭的成本都要高出二、三级火箭不少。
在猎鹰9号火箭的成本中，推进剂的成本仅有约100万美元，发动机成本要大得多。因此，如果能实现类似飞机那样的重复使用，让推进剂支出成为航天发射成本中比例最高的一项，那航天发射报价必然可以降低到较低的水平，带动航天工业的爆炸性发展。
今年3月31日的报道中，Space—X公司首席运营官格温·肖特维尔（Gwynne Shotwell）提到希望通过重复使用将发射费用降低到现在的70%。
但是，庞之浩表示，能够回收运载火箭不代表一定可以重复使用运载火箭，重复使用运载火箭不代表一定可以降低成本。因此，未来还要攻克另一大难关，即火箭回收后只需经过简单低成本维修和加注燃料就能重复使用才行。目前的运载火箭发动机都是一次性使用的，所以必须研制出可重复使用的火箭发动机，且每次回收后的维修成本和时间必须很少才行，这是极大的挑战。
火箭回收难度大于航天飞机
航天器的回收并不是什么新鲜话题，无论是航天飞机还是载人飞船，各个国家都有过成功的尝试，甚至可以说得上是技术成熟。美国曾发射过135架次航天飞机，成功回收133架次，前苏联也回收过1次暴风雪号航天飞机。美苏都多次回收过大量载人飞船，只失败过2次，我们国家成功回收了所发射的10艘载人飞船。各类返回式卫星是回收的，美苏都多次回收过返回式卫星和载人飞船。我国曾成功回收过22颗返回式人造卫星。
“但是，由于尺寸、外形等原因，我个人认为回收火箭的难度要远大于航天飞机和卫星、飞船的回收。因为越是细长的东西，越不好控制其姿态，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难。”庞之浩说。
火箭回收，除了Space—X的猎鹰9号，还有蓝色起源公司的“新谢泼德”号火箭。但是两者之间的区别是非常大的。2015年11月，美国蓝色起源公司成功回收了“新谢泼德”号亚轨道运载火箭，庞之浩认为它的回收难度远远低于猎鹰9号，“除了飞行高度、飞行速度还有能量以外，其中它们的外形差得很远，“新谢泼德”只有20米高，是个矮墩子，而猎鹰9号第一级就是48米，越是细长，回收时的控制难度就越大。”
据庞之浩介绍，目前有四种回收方式：一种是降落伞垂直下降，第二种是动力反推垂直下降，第三种是无动力滑翔飞行，第四种是有动力滑翔飞行。猎鹰9号是采用了第二种，美国航天飞机是采用了第三种，暴风雪号是采用了第四种。
长久以来，降落伞垂直下降都是主要的回收或者着陆方式。比如载人航天飞船的回收等。但为什么火箭回收不能使用这些方法呢？
火箭回收的首要意义便是为了节省成本重复使用。使用降落伞垂直下降并不能保证火箭着陆时的速度降低到最小，从而保护火箭的发动机以及结构不受到地面冲击的损害。如果将火箭重重地摔落在地面上，维修的成本势必大大增加，回收价值也就大打折扣。
而无动力滑翔飞行以及有动力滑翔飞行的方式更加不适用于火箭，因为火箭没有像航天飞机一样用来保持横向飞行的翅膀。
早在20世纪90年末，美国麦道公司就开始用“三角快帆”飞行器试验动力反推垂直下降技术。“三角快帆”是世界上第一个以火箭发动机为动力、垂直起降的完全重复使用运载器。它进行了4次飞行试验，最大飞行高度3155m，然后像直升机一样，用4台小发动机反推减速，最终达到平稳着陆的目的。后来由于在第4次飞行试验中“三角快帆”被烧毁，使该计划提前结束。要实现火箭的动力反推垂直下降，需攻克几项关键技术。
垂直着陆前速度降至2m/s
庞之浩表示，回收过程中控制火箭姿态和落点精度技术是首要的技术难点。火箭在返回过程中，需要对其姿态不断进行控制，这对火箭的可操控性和稳定性要求都很高。越是细长的东西，越不好控制其姿态，要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点就更难。其主要表现是，在返回过程中，火箭各级再入速度大，在5—20km高度经过“大风区”时，会受到较大干扰。即使火箭具备控制能力，“大风区”的干扰对火箭返回过程的姿态控制仍然是一个挑战。
克服了来自“大风区”的干扰，火箭在着陆前的垂直姿态控制仍是难点。在火箭着陆前，姿控系统需要将火箭调整为垂直姿态，尽量减少各种干扰对着陆过程造成的影响。
在返回过程中，猎鹰9号通过箭上的液氮推力器来调整姿态，以应对气动扭矩和旋转的影响，使其几乎没有任何滚转，在降落过程中一直与地面保持垂直状态。有人形容其难度犹如“在狂风中让一根扫帚平稳地直立在手掌上”。其箭体上有4个可展开的栅格翼，在起飞时保持收起并在再入大气层时打开。它用于增强火箭返回地球时的稳定性，通过GPS卫星制导来协助控制火箭朝着陆地点降落，使其最终落地的精度在10m左右。每个栅格翼的滚转通道和倾斜通道都是相互独立的，通过开式液压系统作动，液压油从高压贮箱流经作动机构后直接排出箭体外部，可以在大气飞行过程中利用气动力进行姿态稳定控制，以控制滚转、俯仰和偏航，协助控制火箭在平台上精确着陆。
其次需要攻克的是火箭发动机推力可调和多次启动技术。为了动力反推，火箭要多带一些燃料。在第一级返回的不同高度，火箭质量会随着燃料快速消耗而明显减小，所以其反推发动机需要采用不同大小的推力，以实现软着陆。大范围调节发动机的推力，对发动机燃烧、涡轮泵、阀门等各组件要求较高，需要实现较宽范围推力调节的发动机系统配置。发动机推力调节范围以及偏差要求与调节阀门的动作精度直接相关。此外，阀门还必须适应较高的混合比偏差控制。猎鹰9号是通过部分主发动机3次点火制动来减速的。在火箭主发动机的控制软件中设置了矢量推力点，它能控制火箭的下落速度。
庞之浩以Space—X公司成功在路上回收猎鹰9号一级火箭为例，向记者解释火箭回收的过程，“相比于路上回收火箭，海上回收火箭的过程差别不大，但难度系数却增加不少，尤其是在火箭姿态控制方面。”
在发射4分30秒后，一级火箭第一次重启部分主发动机，以降低降落速度，并控制与着陆点之间的距离，使其能够降落到距离在距发射场不到10km处。进入大气层后，一级火箭进行第二次点火，持续大约20秒，高度约为70km。
通过点火反推和大气层的阻力，速度从1300m/s降至250m/s。在再入大气层过程中，由于带有发动机的一级火箭底部较重，会保持发动机向下的姿态，而发动机热防护罩经过处理能够经受住再入的热环境。
在着陆之前，一级火箭的中心发动机进行第3次点火，将速度降至2m/s。另外，在着陆前10秒，安装在底部的四个着陆支架要打开，它由碳纤维材料和铝合金蜂窝板制成，高约7.62m，总质量为2.1吨，跨度约为21.336m，带有液压减震器，可进一步减少垂直着陆时的巨大冲击，从而在回收平台上软着陆。
在飞行过程中，支架收起附着在箭体上并覆盖了气动外壳降低阻力。在着陆时，支架展开以提高稳定性，减缓冲击。支架的展开动作依靠高压氦气作动的气动系统实现。着陆后8秒内，箭上计算机仍要不断传回信号，直至一级火箭呈现水平状态时为止。在再入开始阶段，一级火箭会用4个栅格翼进行滚转、俯仰和偏航控制，以保持稳定。
更重要的是，此次Space—X首次实现了浮点着陆，攻破了此前回收平台漂浮在海洋上目标难以确定的障碍。专家分析，这是因为此次Space—X的算法有了很大的提升。所谓算法是“着陆地点可以和火箭回收实现位置同步，提高匹配率”。
火箭海上着陆将让飞船获得更多有效运力
2015年底猎鹰9号火箭已经实现了首次陆上回收，但太空探索技术公司仍然坚持不懈地进行海上回收试验。这与海上着陆的优势密不可分。当然，海上着陆的难度也更大，可谓挑战越大机遇越大。
在难度上，陆地更为平稳，不像海上的驳船摇摇晃晃，这就减少了火箭回收时姿态控制的复杂度。但海上回收却要比路上回收能够节省更多的燃料。
在目前的火箭发射中，火箭均是由西向东运行。以Space—X的发射为例，其发射场均位于美国东海岸，一级火箭分离后的自然降落路径便是大西洋。由于陆地回收需要调整火箭的速度和进入地球大气层的角度，并且需要计算准确的着陆位置，因此火箭的运行轨迹会更长，需要的燃料也更多。但是海洋着陆就不存在这些复杂的问题。Space—X的海洋回收平台能够捕获按自然途径返回地球的火箭，降低火箭飞行的距离，并能够操纵火箭着陆时所需要的燃料量。这意味着海上着陆能够大量节省燃料成本，在一些陆地着陆不可能实现的任务中发挥优势。
根据太空探索技术公司官方的消息，海上降落方式将节省更多运力。“以比如有10升燃料，陆上回收要用掉3升，7升给飞船。海上回收只需用1.5升，8.5升给飞船。”这也是Space—X公司要探索海上降落回收方式的主要原因，“在相同飞行轨道距离的前提下，8.5升燃料可以比7升燃料运载更重的载荷。”
太空探索技术公司还在研制重型猎鹰火箭，这是一种大型捆绑式运载火箭，两个助推器和芯级都安装有9台梅林1D+发动机，根据用户需求还可能使用推进剂交叉输送技术，从而进一步增加运力。如果说猎鹰9号火箭发射可以直接陆上回收的话，重型猎鹰火箭就不可避免必须用到海上回收了。重型猎鹰火箭的两个助推器将返回卡纳维拉尔角的陆地降落场，但芯级飞行时间更长分离速度更高，要飞回陆地将损失太多的运力，实在是得不偿失。Space—X的创始人伊隆·马斯克很早就说过，重型猎鹰的芯级将在海上回收，以最大限度地提高火箭运载能力。
一级火箭开始下降
■回收过程
1.在发射4分30秒后，一级火箭第一次重启部分主发动机，以降低第一级的降落速度，并控制与着陆点之间的距离，使其能够降落到距离在距发射场不到10km处。进入大气层后，一级火箭进行第二次点火，持续大约20秒，高度约为70km。
2.通过点火反推和大气层的阻力，速度从1300m/s降至250m/s。在再入大气层过程中，由于带有发动机的一级火箭底部较重，会保持发动机向下的姿态，而发动机热防护罩经过处理能够经受住再入的热环境。
3.在着陆之前，一级火箭的中心发动机进行第3次点火，将速度降至2m/s。另外，在着陆前10秒，安装在一级火箭底部的四个着陆支架要打开，它由碳纤维材料和铝合金蜂窝板制成，高约7.62m，总质量为2.1吨，跨度约为21.336m，带有液压减震器，可进一步减少垂直着陆时的巨大冲击，从而在回收平台上软着陆。
4.在飞行过程中，支架收起附着在箭体上并覆盖了气动外壳降低阻力。在着陆时，支架展开以提高稳定性，减缓冲击。支架的展开动作依靠高压氦气作动的气动系统实现。着陆后8秒内，箭上计算机仍要不断传回信号，直至一级火箭呈现水平状态时为止。在再入开始阶段，一级火箭会用4个栅格翼进行滚转、俯仰和偏航控制，以保持稳定。
