火箭回收暢想：八仙過(guò)海各顯神通

近日，美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司透露，由于直升機(jī)空中抓取回收火箭屢次失敗，正考慮更換方案，從海上回收濺落的火箭子級(jí)，以便翻新復(fù)用。這意味著，越來(lái)越熱門(mén)的火箭回收業(yè)務(wù)又迎來(lái)了“換賽道”。那么，航天界現(xiàn)有的幾種火箭回收方式各自有何優(yōu)劣？未來(lái)人們有望看到哪些腦洞大開(kāi)的火箭回收招數(shù)呢？

直升機(jī)空中抓取回收火箭屢次失敗（來(lái)源：火箭實(shí)驗(yàn)室公司）

傳統(tǒng)回收模式有挑戰(zhàn)

(相關(guān)資料圖)

盡管越來(lái)越多的航天器頻繁飛入太空，科研人員卻在一個(gè)方面永不滿(mǎn)足：如何更安全、更經(jīng)濟(jì)地幫助航天器“掙脫地球母親的懷抱”？換成專(zhuān)業(yè)說(shuō)法，就是如何降低航天發(fā)射任務(wù)的綜合成本？火箭回收無(wú)疑是最直接的手段之一。

從火箭回收運(yùn)作的現(xiàn)狀來(lái)看，美國(guó)SpaceX公司的獵鷹系列火箭擁有最成熟的技術(shù)模式，采用垂直自行返回方案，累計(jì)成功回收了100多次，多枚獵鷹9火箭第一級(jí)已重復(fù)完成了15次發(fā)射任務(wù)。

不過(guò)，這種火箭回收方法也免不了付出代價(jià)，那就是火箭第一級(jí)有必要預(yù)留至少1/3的燃料儲(chǔ)備，以便及時(shí)進(jìn)行二次點(diǎn)火減速。也就是說(shuō)，火箭為了實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，不得不損失運(yùn)載能力。此外，為確?；鸺谝患?jí)以垂直豎立姿勢(shì)平穩(wěn)降落，緩沖腿是必不可少的，只有中大型火箭能夠“容忍”這種重量、空間代價(jià)，無(wú)形中限制了適用范圍。

于是，美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司2021年提出了直升機(jī)空中抓取回收火箭方案。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是讓輕巧的電子號(hào)火箭子級(jí)在降落傘下安穩(wěn)下降，直升機(jī)及時(shí)靠近，伸出探鉤，吊掛回收。雖然外人感覺(jué)這種回收方式既精彩刺激又高效快捷，但“接駕”直升機(jī)的反應(yīng)能力、吊運(yùn)能力、可靠性都面臨著苛刻要求，為保障“約會(huì)時(shí)機(jī)”，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸控制也有不小的難度。

在某次電子號(hào)火箭回收任務(wù)中，直升機(jī)的纜索裝置本已吊掛成功，但空中突如其來(lái)的巨大負(fù)載險(xiǎn)些令直升機(jī)失控，迫使直升機(jī)遺憾地“放手”。而在另一次回收任務(wù)中，由于火箭子級(jí)返回大氣層時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)丟失，一直待命的直升機(jī)無(wú)法及時(shí)定位，遺憾地錯(cuò)過(guò)了“約會(huì)”。

此外，各國(guó)還測(cè)試了多重傘降、反推火箭等回收模式，但都不太適合回收火箭艙段，仍需更多技術(shù)探索。至于回收海上濺落的火箭子級(jí)，對(duì)于材料、時(shí)機(jī)等要求無(wú)疑更加苛刻。

路線(xiàn)五花八門(mén)求“通關(guān)”

正因?yàn)榛鸺厥粘晒Σ灰?，一旦航天人掌握某種成熟方案，就有望獲得豐厚的回報(bào)。于是，從航天愛(ài)好者到資深科學(xué)家，不斷提出一系列令人眼花繚亂的火箭回收新方案，多條路線(xiàn)齊頭并進(jìn)，努力找到水平更高、效益更大的“通關(guān)秘籍”。

近年來(lái)，多國(guó)航天人提出了繩網(wǎng)吊掛回收火箭的設(shè)想，引發(fā)了不小的關(guān)注。各國(guó)方案的共同點(diǎn)是搭建矩形回收平臺(tái)，四角由高聳的塔柱穩(wěn)定，連接起眾多纜索，多層布置，每層呈現(xiàn)“井”字形，構(gòu)成受力復(fù)雜的強(qiáng)韌大網(wǎng)。預(yù)計(jì)火箭子級(jí)以近似垂直姿態(tài)落入感應(yīng)區(qū)域時(shí)，第一層纜索中的多組平行的纜索在感應(yīng)器幫助下快速移動(dòng)，精確地對(duì)準(zhǔn)火箭子級(jí)下墜方向，并掛住尾鉤之類(lèi)的部件，進(jìn)而觸發(fā)第一層全部纜索受力。隨著火箭子級(jí)繼續(xù)減速下落，各層纜索以同樣的方式進(jìn)行吊掛作業(yè)，直至火箭子級(jí)停止下墜，安全回收。

為確保纜索鉤掛火箭子級(jí)的可靠性，一些方案增添了特殊材料制成的夾具，可以使火箭相對(duì)輕微地側(cè)向受力，減速效果有可能更顯著。

顯然，這種新穎的回收方式使火箭不必預(yù)留大量燃料，還能省掉緩沖腿等部件，有望顯著提升運(yùn)載能力，又能大幅降低火箭保持姿態(tài)的控制難度。但是，為了及時(shí)“截?！被鸺蛹?jí)，纜索材料與全系統(tǒng)機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度和精度上都會(huì)面臨毫不輕松的考驗(yàn)。另外，火箭子級(jí)拋離的精確控制、天氣條件等恐怕都會(huì)影響其“自投羅網(wǎng)”的成敗。

或許是感覺(jué)火箭子級(jí)下墜中找準(zhǔn)落點(diǎn)太難也太麻煩，近年來(lái)航天愛(ài)好者們提出了一種更加簡(jiǎn)單粗暴的方案——天坑回收。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是利用天然地質(zhì)構(gòu)造，或者挖掘出深度數(shù)十米、直徑超過(guò)10公里的大坑，在里面大量填充緩沖材料,可以是生活廢棄塑料再加工，或者是各類(lèi)植物纖維加以改造。

而火箭回收過(guò)程也很簡(jiǎn)單，只要墜落點(diǎn)在天坑的范圍內(nèi)，數(shù)十米厚的緩沖材料能夠在很大程度上保障任務(wù)的安全性。接下來(lái)，在附近待命的直升機(jī)迅速飛到天坑上方，放下索鉤，吊運(yùn)火箭子級(jí)，將其運(yùn)回車(chē)間，投入下一次發(fā)射任務(wù)的準(zhǔn)備工作中。

天坑回收模式聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)兒戲，但可以降低火箭子級(jí)返回途中付出的物質(zhì)代價(jià)和技術(shù)難度，建立另類(lèi)回收?qǐng)鲆矝](méi)有多少技術(shù)上的障礙。問(wèn)題是，巨大天坑的建造投入必然很大，而露天回收?qǐng)鋈螒{風(fēng)吹雨打、烈日暴曬，緩沖材料的狀態(tài)如何？怎樣及時(shí)維護(hù)保障？恐怕提議者心里也沒(méi)底。

其實(shí)，在眾多的火箭回收奇思妙想中，有一個(gè)方案雖然僅停留在概念階段，但在理論上相當(dāng)完美，那就是自滑翔返回。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是給火箭子級(jí)裝上可折疊的機(jī)翼和舵機(jī)，及時(shí)“變身”保安全。

眾所周知，火箭子級(jí)的拋離點(diǎn)往往是在數(shù)萬(wàn)米的高空，具備巨大的勢(shì)能。隨著火箭子級(jí)進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為巨大的動(dòng)能，促使它不斷加速下墜。常規(guī)的保護(hù)火箭子級(jí)的方法是盡量從垂直方向上抵消這種極具破壞力的動(dòng)能，通過(guò)“軟硬兼施”的手段減速。而自滑翔返回方案則是“化危為機(jī)”，使火箭子級(jí)利用動(dòng)能飛行。

在火箭子級(jí)加速墜落的過(guò)程中，如果機(jī)翼與舵機(jī)及時(shí)展開(kāi)運(yùn)作，在無(wú)人駕駛技術(shù)加持下，有望使火箭子級(jí)從自由落體狀態(tài)很快改為水平飛行狀態(tài)，好像從高空俯沖的滑翔機(jī)，只不過(guò)更追求平穩(wěn)飛行，不斷消耗可怕的動(dòng)能，最終安全落地。

暢想未來(lái)，火箭的外形設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，材料、工藝和無(wú)人智能駕駛技術(shù)達(dá)到更高的水平，那么火箭子級(jí)自主搜尋、定位并飛回發(fā)射基地，平穩(wěn)地降落到跑道上，完成從航天器到航空器的“華麗變身”，絕非癡人說(shuō)夢(mèng)。 （作者：孫飛）

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