美国重复使用运载火箭发展分析（上）
随着世界航天的发展，如何提供更加可靠、经济、快速的航天发射服务是整个航天工业界面临的主要挑战之一。运载火箭重复使用是应对该挑战的重要技术途径，一直以来就是世界各航天国家和地区的研究热点，其中美国的研究进展尤为突出，引领了人类在该领域的探索前沿和发展方向。
进入21世纪以来，美国在运载火箭重复使用方面取得了重要成就，部分火箭已实现回收和重复使用，更多的火箭厂商则提出了重复使用方案并持续推进研究。
“猎鹰”系列运载火箭已实现部分重复使用
猎鹰－9火箭是美国太空探索技术公司（SpaceX）研制的部分重复使用两级中型运载火箭。火箭一级上安装有栅格舵、着陆支架及单独的控制系统，在一、二级分离后可通过主发动机再次点火制动减速，具备垂直降落回收的能力，并可在短期内经过检测、整修再次执行发射任务，据称最大使用次数为10次。其整流罩上也安装有反作用控制系统（RCS）和翼伞系统，可以在进入大气层后实施减速，并利用回收船来网捕回收和重复使用。
猎鹰－9火箭一子级回收飞行剖面
“猎鹰重型”（Falcon Heavy）是在大量继承猎鹰－9火箭成熟技术基础上研制的两级重型运载火箭，采用3个通用芯级并联加二子级的构型，起飞时共有27台发动机点火，起飞质量 1420.8t，是目前运载能力最大的现役火箭。“猎鹰重型”火箭继承了猎鹰－9火箭的自主可控回收技术，可以回收3个芯级，从整体上大幅提升了重复使用率。全箭28台发动机中有27台能够重复使用，复用率达到96%。
2015年12月-2020年11月，SpaceX公司已实现了60余次火箭一级回收，单枚箭体实际使用次数最多已达7次，整流罩也得到了回收和重复使用。
“超重-星舰”完全重复使用运输系统持续推进研制
SpaceX公司在2016年9月正式对外公布了“星际运输系统”（ITS），瞄准人类殖民火星以及星际探索，后逐渐演化成“超重－星舰”（SuperHeavy－Starship）运输系统。“超重－星舰”运输系统是一种重型运输系统，采用两级构型，由一级“超重”和二子级“星舰”组成，使用液氧/甲烷推进剂。
“超重-星舰”系统
“超重－星舰”系统中“超重”可像猎鹰－9一级一样垂直回收，“星舰”可在离轨后利用升力式气动减速和发动机制动来实现垂直软着陆；同时，“星舰”取消了传统的有效载荷整流罩，而采用类似航天飞机的翻盖式舱门设计，使得“超重－星舰”具备了完全重复使用的能力。SpaceX公司从2018年开始先后研制3个系列的试验样机并持续开展试飞工作，包括试飞样机“跳虫”（Hopper）、全尺寸原型样机Mk系列和SN系列，不断改进贮箱生产工艺，并测试其“猛禽”(Raptor) 发动机。
“火神”运载火箭重复使用方案
“火神”运载火箭重复使用方案为了应对SpaceX公司“猎鹰”系列火箭的挑战以及摆脱美国运载火箭对俄罗斯发动机的依赖，联合发射联盟公司（ULA）研制了“火神”（Vulcan）火箭。该火箭为两级半构型，在初始构型中，“火神”火箭二级采用“半人马座”（Centaur）上面级，地球同步转移轨道运载能力约为11t。在新型上面级投入使用后，其运载能力将超越德尔他－4（Delta－4）重型火箭。
“火神”火箭构型图
ULA公司根据“火神”火箭可重复使用要求提出了敏感模块自主返回技术（SMART）。在一、二级分离后，火箭一级发动机将脱离，并在充气式热防护罩的保护下再入大气层，然后依靠降落伞减速，最后由直升机在空中回收。ULA公司表示推进系统成本占整个一级成本的65%，一级发动机的回收利用将会使一级推进系统成本降低90%，而这种仅回收关键部件的方式将比SpaceX公司回收整个子级箭体的方式更加简单和易于实现。但目前ULA公司并未在 SMART回收项目上取得进一步的进展。
“新格伦”运载火箭子级重复使用方案
为承接轨道旅行、商业及政府载荷的发射任务，蓝色起源公司于2016年9月正式公布了其正在研制的“新格伦”（New Glenn）运载火箭。“新格伦”火箭包括两级与三级构型，箭体直径7m，可用于执行近地轨道或更远轨道的商业卫星发射和载人飞行任务。火箭一级安装7台BE－4液氧/甲烷发动机，火箭一级在发射分离后可垂直返回至海上驳船并回收使用，设计重复使用次数可达25次。该方案与SpaceX公司猎鹰－9火箭类似，但对一级气动外形进行了改进，增加了一对滑翔翼，分离再入后可以充分利用气动力来进行减速和轨迹控制，发动机仅需要一次点火即可实现软着陆回收，能够明显减少返回所需的推进剂消耗。目前，蓝色起源公司的垂直回收和重复使用技术已在其“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道运载器上实现，但距离轨道级运载火箭的重复使用还有一定差距。
“新格伦”火箭
“电子”运载火箭开展子级回收技术验证
“电子”（Electron）火箭是美国火箭实验室公司（Rocket Lab）研制的一型两级液体火箭，采用电动泵供应液氧/煤油推进剂，3D打印复合材料贮箱和发动机。全箭直径1.2m，起飞质量10.5t，500km太阳同步轨道运载能力为150kg。自2017年首飞以来，“电子”火箭已成为世界上专门发射小卫星的主力商业火箭。火箭实验室公司对“电子”火箭一级进行回收和重复使用的初衷在于能够更为频繁地发射火箭。火箭一级在再入大气层后使用降落伞进行减速，并利用翼伞进行滑翔，最终一架直升机在空中抓取翼伞实现回收。目前，火箭实验室公司已利用直升机和翼伞对一级结构件进行了多次回收试验，并在2020年11月的发射任务中以伞降减速、海面溅落打捞的方式首次完整无损地回收了火箭一级。
“电子”火箭一子级回收试验
作者/胡冬生 刘楠 刘丙利 焉宁
来源/《国际太空》2020年第12期
责编/毛凌野
监制/祁首冰