制造可重复利用的火箭,到底有多难上观新
近日，美国太空探索技术公司（spacex）的“龙”飞船首次载人试飞成功，将两名美国宇航员送入国际空间站。spacex最大的创新就是首次制造出可重复利用的火箭，那么，回收火箭到底有多难？请听中国运载火箭技术研究院研究发展中心高级工程师唐庆博在“造就talk”演讲上介绍可回收火箭的技术难点。
年，spacex公司的猎鹰9运载火箭首次实现一子级回收。年，spacex又首次实现“二手火箭”的成功发射。年5月，“龙”货运飞船由最新型猎鹰9火箭发射升空，同时实现了陆上回收。它在小修状态下可以重复使用10次，大修状况下可使用次。
这些年来，spacex公司及其创始人埃隆·马斯克对技术的探索和对科研的追求，一直在感动着我们。
人类是怎样实现宇宙探索的呢？我来给大家简单介绍一下。其实，火箭发射的原理与扔石头是一样的———你扔的速度越快，石头就落得越远。火箭也是一样，当它的飞行速度超过第一宇宙速度，也就是7.9千米/秒的时候，就可以围绕地球飞行；如果达到第二宇宙速度（11.2千米/秒），就可以脱离地球的束缚；如果达到第三宇宙速度（16.7千米/秒），则可以飞向更远的太空。
运载火箭的设计原理就是通过分级火箭按照“使用—分离—抛弃”的顺序，一级一级地把有效载荷运到轨道上去。
有人会问：火箭那么昂贵，每一次都抛掉子级是不是很浪费？确实如此。而且，在抛弃的过程中，有时候火箭残骸会砸到意想不到的地方，产生一些损害；也可能没掉到地面，再入轨的时候形成碎片，对整个轨道产生潜在的危害。
于是，很多科学家就设想，能不能把火箭收回来再次利用？实际上，几十年来，各个国家的科学家都一直在研究这个问题，而spacex公司则取得了突破性的进展。
spacex公司的火箭飞行轨迹是怎样的呢？
以它执行第一地球轨道任务为例。火箭起飞后多秒的时候，高度为60公里左右，速度已经达到了非常快的6马赫（1马赫即一倍音速）。这时候它的一子级就关机，与二子级分离，之后发动机喷口朝着回收点的方向，进行第二次点火，来减小飞行的速度。
当飞行高度达到70公里左右，一子级上的栅格翼打开。它的作用有两个，一是利用气动进行减速，二是对火箭的姿态进行控制。接下来是第三次点火，快到着陆点的时候还有第四次点火，使速度降到5米/秒，着陆缓冲支撑腿打开。最后，也是最惊险的环节———垂直落在地面上。
这个过程说起来挺简单的，可是猎鹰火箭在实现海上回收之前曾经失败了4次，说明这件事还是挺难的。它究竟难在哪里呢？
第一个难点，因为加了回收这一步骤，所以火箭的总体参数优化和设计变复杂了。回收过程中首先需要有一定的动力，也就需要携带一部分的推进剂。在它落地过程中，气动加热会导致子级外壳出现一定的损失，这时候需要相应增重，而且可能需要对下落的弹道进行调整。打个比方，就好像既要它多扛货物，又要它本身体重轻，所以有很大的难度。
第二个难点，整个垂直返回的精度控制要求很高。我们可以把回收的过程比喻成一个动作———你手上有一支铅笔，要把这支铅笔抛出去，而且要让它垂直落在一个点上。这个过程分两个阶段：一是抛出去以后要准确找到那个点，因此导航制导精度要求特别高；二是它快要落地时要垂直降落，不能倾倒，这对它本身姿态的控制要求比较高。
第三个难点，火箭子级落地过程中，要对它本身的推力进行调节，有时候需要从60%调节到%，调节范围比较大。
第四个难点，推进剂的管理难度大。它降落的时候，实际上是“半桶水”或者更少，这里有一个控制的问题。
第五个难点，着陆时的缓冲问题。猎鹰火箭的缓冲装置起的作用有三个：第一是防止倾倒，第二是缓冲着陆，第三还要忍受发动机喷射的高温。
总的来说，火箭的回收确实是挺难的一件事，它也有缺点，其中很大的一个缺点就是火箭子级回收的时候，它的运载能力损失较大。实际上，各国科学家都在想一些其他的回收方式，我想不久的将来也许可以看到更多样的成果。
去年，spacex还提出了星际运输系统，用来进行火星探测。该公司最大的火箭叫bfr，号称重复使用次数将达到0次。届时，它可能就像飞机一样，能反复地使用。
栏目主编：龚丹韵
本文作者：唐庆博（徐蓓整理）
文字编辑：徐蓓
题图来源：新华社
图片编辑：徐佳敏
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