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可回收火箭

可回收火箭

可回收火箭（Reusable Rockets），是指能够部分或全部回收火箭部件并重复使用的火箭。

火箭的制造与发射一直是一个极其昂贵的过程，为了节省成本，20世纪的美国和苏联在太空竞赛的背景下提出了利用可回收的优势发展航天飞机，然而事实证明由于系统过于复杂、再利用成本也极其昂贵，航天飞机成为一个失败的科研项目。2015年11月24日，美国蓝色起源宣布其研发人员已成功实现新谢泼德号火箭的垂直着陆回收。同年12月21日，美国SpaceX在经历了几次海上回收失败后，决定采用陆地回收的策略，发射的猎鹰9号在佛罗里达州卡纳维拉尔角成功实现第一节火箭软着陆。中国、俄罗斯、印度、欧洲、日本等国都在研制可回收火箭，但研究成果还未能与SpaceX公司比肩。截至2022年，世界上已有美国猎鹰火箭、美国星舰、美国“新谢泼德”火箭、中国长征八号运载火箭、中国新一代运载火箭等可回收火箭类型。2023年11月，中国可重复使用验证火箭双曲线二号（SQX-2Y）在酒泉卫星发射中心点火升空，约1分钟后，火箭在目标着陆点平稳精确着陆回收。2024年3月，中国航天科技集团宣布正在研制4米级、5米级的可回收火箭，并计划分别于2025年和2026年首飞。6月23日，中国重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验圆满成功。

对于运载火箭的回收与重复使用，实现箭体回收是第一步，也是最为关键的步骤。可回收火箭回收方法有伞降回收、垂直返回和带翼飞回三种回收方式。与一次性运载火箭相比，可回收火箭不仅涉及到上升段，还涉及到返回段。返回过程涉及到总体、弹道、气动、控制、载荷、防热、结构等多个专业，总体设计流程和设计方法较一次性运载火箭更复杂，还需考虑全寿命周期的系统融合设计，并采用智能技术，有利于可回收火箭的性能提升。可回收火箭在未来的国际角逐中将扮演关键角色。早在火箭发展的初始阶段，冯·布劳恩和钱学森就提出了重复使用天地往返运输系统的概念。目的是通过火箭自身可靠性、多次重复使用来均摊费用，实现更加便捷和低成本地进入太空，甚至于为外星探索、外星移民做准备。

发展历史

初期发展

早在19世纪30年代，奥地利著名物理学家尤金·桑格尔（Eugene·Sanger，1905-1964）手绘了一张草图大胆设想了采用火箭发动机的飞机，火箭发动机在这时被提出来作为飞往空间的工具。德国火箭专家韦纳·冯·布劳恩（Weiner Von Braun，1921-1977）在20世纪50年代末提出可重复使用天地往返运输系统的设想。中国科学家钱学森在1962年设想出一种两级入轨的运载工具，这种运载工具第一级采用一架喷气发动机推进的大型飞机，第二级采用火箭发动机推进的飞机。

1957年9月，美国为了研究与高超声速飞行相关的气动问题、控制技术以及飞行过程中的稳定问题拟定了“X-15试验机”计划，并且开始研制名为“X-15”的研究机。X-15研究机是世界上最早的利用火箭发动机推进的高超声速飞机，经由改装的B-52轰炸机空中发射，到1968年10月24日计划结束时，共飞行199次。

航天飞机

20世纪60年代末开始，洲际弹道导弹技术、运载火箭技术、载人登月计划、喷气飞机技术等也迅速发展。1981年，美国哥伦比亚号航天飞机首飞成功，实现了运载器的部分重复使用。航天飞机由轨道器、外挂燃料箱和助推器组成，主发动机采用富燃分级燃烧循环，可在65%~109%推力之间连续调节，该发动机技术时至今日仍处于世界领先水平。在此期间，美国共生产6架航天飞机，分别为企业号航空母舰（Enterprise，代号OV-101）、挑战者号（Challenger，代号OV-099）、哥伦比亚号航天飞机（Columbia，代号OV-102）、发现者（Discovery，代号OV-103）、亚特兰蒂斯号航天飞机（Atlantis，代号OV-104）和奋进号航天飞机（Endeavour，代号OV-105）。此外，前苏联自1978年就研制暴风雪号航天飞机，该航天飞机在1988年11月15日由能源号运载火箭发射，进行了不载人飞行试验取得成功。

然而，航天飞机作为可重复使用运载器还存在很多问题，包括研制方案不切合实际、技术难度大、再利用成本高（平均发射费用达到15亿美元）、安全性稳定性低等问题，航天飞机最终成为一个失败的科研项目。

空天飞机

1986年2月美国正式批准了国家空天飞机（National Aerospace Plane）计划，即NASP计划。NASP计划确立以吸气式火箭组合循环发动机、单级入轨完全可重复使用为目标，研制一种能够像飞机一样水平起飞并在大气层内飞行，还能够加速进入地球轨道像飞船一样在轨运行，最后能够再入大气层并安全返回地面水平着陆的空天飞机，X-30是这种空天飞机的试验机。但由于超音速燃烧冲压发动机技术无法在计划期限内实现，投资也过于庞大，1995年历时9年的NASP计划宣布取消。此外，同时期还有法国的Hermes计划、英国的HOOTL计划。

新一代发展

1994年8月，第42任美国总统威廉·杰斐逊·克林顿签署新的国家航天运输政策，要求美国航空航天局负责可重复使用运载器的计划，简称RLV计划。目的是研制继航天飞机之后的第二代可重复使用运载器。RLV计划又包括多项技术验证计划，这些技术验证计划主要有DC-XA试验飞行器计划、X-34小型重复使用运载器计划、X-33先进技术演示验证飞行器计划、X-37试验飞行器计划等。

此外，20世纪90年代开始，美国基斯特（Kistler）公司采用伞降加气囊着落方案研制“K-1”可回收火箭。K-1运载火箭以垂直方式起飞、不载人、二级可完全重复使用，设计预计可以重复使用100次。K-1第一枚火箭已经制造出来，但资金链断裂断送了它的前途。

SpaceX是埃隆·马斯克（Elon Musk）于2002年创立的。从2012年9月到 2013年10月，SpaceX前后进行了8次可回收火箭及其返回的跳跃实验。从最早的点火3秒高度1.8米，到点火80秒高度超过500米，并有了横向机动，SpaceX获得了一系列重要试验数据，为试验成功奠定了重要基础。在实际发射任务中，SpaceX也进行了几次一级火箭在分离后返回的海上平台回收试验。2015年1月，SpaceX进行第一次试验，该试验只是单纯为了测试，火箭直接掉到海里；同年4月，SpaceX进行第二次试验，使用了海上平台，但火箭直接倾覆后在平台上爆炸；第三次试验在同年6月，但火箭直接在空中爆炸。

2015年11月24日，美国蓝色起源宣布其研发人员已成功实现新谢泼德号火箭的垂直着陆回收。“New Shepard”号火箭的长度接近20米，使用BE-3液氢发动机，在升空过程中其最大速度达到3.72马赫（约1268米/秒）。到达一定高度后，火箭与飞船分离，飞船继续升高到预定高度，然后回落并最终借助降落伞成功着陆。而火箭在降至距地1500米高处时，其发动机重新点火减速，以每小时7.1千米的速度落回发射场。火箭在降落过程中经历了时速190千米侧风的考验，最终降落地点距发射台中心只有1.37米。

2015年12月21日，SpaceX的猎鹰9号回收试验迎来了成功。火箭采取了垂直回收的方式，降落过程中逐渐导航至下降通道，最后落地前火箭发动机将相对速度降为接近零的状态，采取四个支架平稳着陆。截至2022年9月，SpaceX公司的“猎鹰9”号火箭已经成功回收一子级130多次，单枚火箭一子级复用次数最多达14次。

中国、俄罗斯、印度、欧洲、日本等首都在研制可回收火箭。2015年，俄罗斯就提出了在“东方航天发射场建造带有可多次使用轻型运载火箭的航天火箭系统”，打造包含带翼第一级火箭的未来运载工具。2016年，印度空间研究组织（ISRO）正在研发一款可回收运载火箭技术演示验证器（RLV-TD）。RLV-TD项目在ISRO的载人航天计划中至关重要，该机构正在考虑将两名航天员送出地球轨道再将其带回，并计划降低空间发射任务的成本至原先的十分之一。

2020年4月，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宣布正在开发火箭回收技术，让已发射火箭的第一节在地表自主软着陆，以便再次利用。

2021年3月，美国火箭实验室宣布将开发类似俄罗斯“联盟-2”运载火箭的中型可回收火箭“中子”（Neutron）。火箭实验室开发的“电子”运载火箭已从位于新西兰的发射场执行了18次发射任务，其中2次失败。“中子”高度40米，为两级火箭，第一级可重复使用，拟在海上平台着陆。据称“中子”火箭能将8吨的有效载荷送上近地轨道，将1.5吨的有效载荷送到金星和火星。

2023年10月，西班牙初创公司PLD Space研制的可回收缪拉-1火箭从西班牙西南部一处基地成功发射升空。“缪拉-1”火箭以一种斗牛品种命名，火箭约有三层楼高，载荷能力为100千克。“缪拉-1”火箭携带了用于测试的有效载荷，在飞抵距地表46千米的高度后返回，坠落在韦尔瓦省附近的大西洋海域，整个飞行过程持续约5分钟。在“缪拉-1”火箭成功发射后，PLD公司将继续开发“缪拉-5”火箭。“缪拉-5”火箭预计于2025年在法属圭亚那库鲁航天中心进行首次发射。

2023年11月，中国可重复使用验证火箭双曲线二号（SQX-2Y）在酒泉卫星发射中心点火升空，约1分钟后，火箭在目标着陆点平稳精确着陆回收。双曲线二号所使用的是一种新型燃料——液态氧甲，由北京星际荣耀空间科技有限公司自主研发，它采用3.35米全尺寸箭体直径，全长约17米，装配自主研发的焦点一号深度变推力液氧甲烷发动机，试验飞行高度178.42米、飞行时间50.82秒、着陆位置精度约1.68米、着陆速度为每秒0.025米、着陆姿态角约0.18度、滚动角约4度，高精度圆满完成了飞行试验任务。

2024年3月，中国航天科技集团宣布正在研制4米级、5米级的可回收火箭，并计划分别于2025年和2026年首飞。6月23日，中国重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验圆满成功，火箭由中国航天科技集团有限公司八院抓总研制。该试验是中国重复使用运载火箭最大规模的垂直起降飞行试验，也是中国自主研制的深度变推“天鹊”发动机在10公里级返回飞行中的首次应用，为2025年如期实现4米级重复使用运载火箭首飞奠定了技术基础。

关键技术

整体结构

与一次性运载火箭相比，可回收火箭不仅涉及到上升段，还涉及到返回段。返回过程涉及到总体、弹道、气动、控制、载荷、防热、结构等多个专业，总体设计流程和设计方法较一次性运载火箭更复杂，需要开展上升段与返回段联合设计，以及多专业之间的联合设计。对于带控制的子级回收过程，还需要开展控制方案设计和一子级的气动辅助装置设计，涉及到更多新的设计难点。从火箭技术的发展趋势看，总体设计中还需考虑全寿命周期的系统融合设计，采用智能技术，提高火箭的智能化水平，有利于重复使用运载火箭性能提升。此外，通过采用高强度可重复使用运载火箭主结构，提高运载火箭结构抗冲击能力，保证其可重复使用性。结构系统自身的可重复使用是运载火筋返回地面后，经过地面检测和无损探伤后在简单修复后即可再次使用。这不仅要求结构系统具备基本的承载功能，还要有高强度的耐受力，应对降落地面时对箭体的撞击，人轨型箭体还要应对微流星体和空间碎片破坏。另外，运载火箭返回地面时箭体内的设备能够在高强度结构系统的保护下使损坏程度达到最小，为设备后期的可重复使用创造条件，高强度结构系统因此也保证了箭体内设备的可重复使用。

子级回收

运载火箭箭体回收方法有伞降回收、垂直返回和带翼飞回三种回收方式。运载火箭的重复使用首先需要解决运载火箭发射后子级的回收问题，确保运载火箭子级的安全回收。子级回收技术也是重复使用运载火箭首先需要解决的关键技术，根据不同的子级回收方式，其具体涉及到相关子技术不同。伞降回收涉及到群伞系统及大型缓冲装置设计技术；垂直返回式回收涉及到高精度控制、着陆支撑和发动机大范围推力调节等技术；带翼飞回式回收和全升力体式涉及到外形优化设计、返回控制、着陆缓冲系统设计、防热等技术。相对于一子级的回收，二子级由于从轨道再入，其环境更为恶劣，回收过程面临防热、控制等更严峻的挑战。

热防护

可重复使用运载火箭的二级在完成有效载荷分离后将再入大气层，结构要经历严重的气动加热，为了顺利完成回收任务，保证结构的温度控制在可允许的范围内，需要采用可靠的热防护系统。可重复使用航天器的热防护系统多采用被动防热结构，这种结构能够保证在热烧蚀环境下不发生相变和质量损失，有的甚至还可以起到承载的作用，但这类热防护系统的最大缺点是最高可承受温度有限。研究表明，目前金属可重复使用热防护系统的最高使用温度仅为1093°C。因此，各国致力于研究抗烧蚀能力强、密度低的非金属热防护系统。例如，航天飞机机头锥帽和机翼前端采用碳/碳薄壳热结构（RCC、ACC），返回地球过程中，可以承受1650°C的峰值温度要求；机身、机翼下表面的峰值温度范围为600~1260°C，多采用陶瓷刚性防热瓦（RSI）、高温特性材料（HTP）、氧化铝增强热屏蔽材料（AETB、TUFI）以及纤维耐火复合材料(FRSI)等；而对于峰值温度在650°C以下的机身、机翼上表面，多采用陶瓷柔性隔热毡、可改制先进柔性隔热毡（TABI）或先进柔性重复使用隔热毡（AFRSI）。

发动机

发动机的可重复使用是实现运载器可重复的一项关键技术。可重复使用的发动机需要经历多次起动、关机、主级运行以及转工况等工作过程，不仅使各关键部件处于高速旋转、易腐蚀以及高温、高压的工作环境下，而且需经受大范围工况变化的影响，因此具有较大的设计难度。可重复使用发动机主要存在两方面问题。首先，由于设计过分保守导致材料的性能无法得以充分利用；其次，由于过分强调材料某方面的性能而导致不期望故障的发生以及过度减少可用寿命。

航天飞机主发动机（Space Shuttle Main Engine，SSME）最初设计目标是在不需要大规模维修的基础上能够进行55次飞行，但实际情况是每飞行1次就要进行全系统大的维护，甚至需要更换涡轮泵系统等关键部件，这不仅延长了发射周期，更增加了航天飞机的运行成本。为了提高主发动机的运行可靠性、降低维护成本，国际上开展了众多的技术专题研究，其中最突出的是主发动机健康监控技术。发动机的健康监控包括故障检测、故障诊断以及故障控制等多方面内容，它可以通过检测、识别、定位、评估与隔离发现发动机可能的运行故障，并采取故障报警、紧急关机等容错控制策略措施，从而将故障引起的损失程度降到最低。

着陆机构

着陆机构的着陆方式主要分为两种：硬着陆和软着陆。硬着陆的定义是指着陆器在着陆时，不采取任何缓冲措施直接与地面撞击。采用这种着陆方式的着陆机构只能使用一次。软着陆指着陆器通过缓冲装置的吸能和减振后以很小的速度着陆，主要分为几种形式：着陆缓冲火箭、降落伞减速装置、缓冲气囊、腿式着陆机构等。

缓冲气囊以充气气囊作为吸能元件，优点为缓冲能力较大，缓冲效果好，但着陆姿态不易控制，需要专门的机构调整姿态，一般只适用于小型着陆器。腿式着陆器在工作过程中通过内部缓冲器的压缩变形而吸收冲击能量，着陆后不发生反弹，具有姿态易稳定、可靠性高等优点，因此，更加适用于运载火箭部段的返回着陆。大多数实现软着陆的航天器采用腿式着陆器，其方案设计除要保证支撑结构必要的强度和刚度外，还需要合理选择吸收着陆冲击能量的缓冲器，以承受着陆时的冲击载荷。

电气系统

电气系统的可重复使用技术主要是指设备的可重复使用。高价值的设备如果尽可能地布局在可重复使用的火箭级，能最大限度地实现设备再利用，节省不必要的重复研制经费，具有巨大的经济效益。可重复使用设备在整个使用寿命期间会反复经受试验、发射飞行和回收的各种环境。为了提高可重复使用设备的使用寿命，应确定可重复使用设备的试验方法、学握可重复使用评估准则。

结构组成

各国研发机构对可回收火箭在结构、热防护、推进、减速、着陆等方面都进行了相应的设计，从而保证运载火箭的可重复使用性。具体请看下表。

典型型号

“猎鹰”火箭

猎鹰9号是美国SpaceX设计并制造的中型两级人轨火箭，它是人类航天史上第一枚实现多次可重复使用一级助推器的液体燃料运载火箭，其可重复使用设计使得航天发射成本降低，低廉的发射价格改变了国际航天发射市场格局，影响了商业航天时代火箭设计。

SpaceX的“猎鹰重型”运载火箭是在猎鹰9号基础上研制的，基于后者的设计，采用3个并联的“猎鹰9”一级助推器。“猎鹰重型”运载火箭也是按照载人的标准设计，具备向月球、火星发射，支撑载人飞行任务的能力。

猎鹰火箭助推器回收程序共有3个步骤：首先一级火箭和二级火箭分离后，火箭会自动调姿并向后翻转，9台发动机中1台开始工作，执行“回推”动作，此时火箭一级顶部的栅格翼展开调整姿态；然后，在进入大气之后，3台发动机执行“再入”点火，为火箭再人阶段诚速；最后，在接近地面时，1台发动机执行着陆点火，实现火箭着陆前的反推，通过着陆腿实现“猎鹰”火箭的软着陆。

“新谢泼德”火箭

新谢泼德号火箭是蓝色起源开发的可回收火箭。该运载火箭于2015年首次完成无人飞行试验，火箭到达100千米高空并返回后，成功实现软着陆。2021年7月，“新谢泼德”运载火箭成功完成了载人飞行任务，实现了首次载人商业太空旅行，该火箭成功返回，以着陆腿的形式实现软着陆。“新谢泼德”运载火箭是完全可重复使用的火箭，采用垂直起飞、垂直降落形式，火箭发动机设计经历三代产品：早期BE-1发动机使用过氧化氢单推进剂；后来的BE-2发动机使用高温过氧化物和RP-1煤油推进剂；目前，其动力系统采用的是BE-3发动机，推进剂是液态氢和液态氧。

“星舰”火箭

“星舰”是SpaceX推出的最新一代运载火箭系统，这一概念于2017年正式提出，该火箭除了可以执行近地轨道任务外，还可以执行载人登陆月球、载人登陆火星等深空任务。“星舰”未来将替代Spacex公司现有的“猎鹰9号”和“猎鹰重型”运载火箭，执行近地轨道任务。“星舰”火箭第一级助推器被称为“超重型推进器”，第二级被称为“星舰”。“超重型推进器”直径为9米，配置33台猛禽发动机，使用液态甲烷/液氧推进剂，安装4个固定栅格翼，不配置着陆腿。SpaceX公司计划采用地面塔架捕捉的形式进行回收。“星舰”火箭第二级也是可重复使用的，采用垂直起落形式，不锈钢结构设计。该不锈钢合金经过“深冷”处理，低温处理钢与传统的“热”处理钢相比，具有质量更轻，结构更耐磨的优势。“星舰”侧壁的迎风面铺覆六角形隔热瓷砖，具有热防护能力，可以抵抗其再入时的热流。

“长征”八号

长征八号运载火箭是中国新一代中型运载火箭，两级设计，执行太阳同步轨道运载任务。2020年12月，“长征”八号运载火箭开展首次飞行试验，并于中国文昌航天发射场成功发射。2022年2月27日，“长征”八号遥二火箭成功发射，将22颗卫星送入预定轨道，创造了中国单次发射卫星数量最多的记录。长征八号遥二运载火箭与遥一火箭相比，少了2个助推器，由两级半变为两级串联构型。“长征”八号运载火箭高度50.3米，一级直径3.35米，配置2台120吨级推力的YF-100发动机，二级直径3米，配置2台8吨级推力的YF-75氢气、液氧发动机。该火箭瞄准的是具有国际竞争力的商业卫星发射。

“长征”八号R运载火箭是在“长征”八号基础上研发的可回收火箭，新一级的120吨级液氧煤油发动机具备2次启动机65%变推力能力。“长征”八号R运载火箭配置可折叠着陆腿，可以实现精确定点软着陆。

新一代载人火箭

中国使用的载人火箭是“长征”二号F火箭，该火箭于1992年中国载人航天工程启动时开始研制，1999年首次发射成功，将中国神舟一号送入太空。“长征”二号F火箭属二级捆绑火箭，有4个液体助推器。该火箭可用于载人月球探测等深空探测任务。

新一代载人火箭采用模块化、通用化设计，同时具备载人和货物运输能力。针对近地任务采用两级构型，一级具有可重复使用能力，近地轨道运载能力为14吨；针对月球探测等深空任务，采用三级加助推器构型，地月转移轨道运载能力为27吨。新一代载人火箭一子级或将采用新型垂直起降回收方式，再入过程使用火箭发动机减速，利用气动舵进行控制与减速，在着陆阶段采用网系回收装置进行阻尼减速，实现软着陆。

发展趋势

可回收火箭的四大关键技术已逐步攻克，可回收火箭将会在未来的国际角逐中扮演关键角色。可重复使用、高可靠性和高安全性是未来可回收火箭的重要发展方向。早在火箭发展的初始阶段，冯·布劳恩和钱学森就提出了重复使用天地往返运输系统的概念。目的是通过火箭自身可靠性、多次重复使用来均摊费用，降低火箭发射成本。同时，可回收火箭可以依靠先进设计理念和发射方式，缩短发射周期、提高发射机动灵活性，实现更加便捷和低成本地进入太空，为大规模进行空间利用和开发奠定良好的技术基础。此外，利用其技术能够形成新型空间攻防武器平台，执行空间支援、作战、侦察、监视、预警、对地攻击等诸多军事任务。所以无论是在航天领域，还是在军事领域，可回收火箭必定会发挥更加重要的作用。可回收火箭只是航天发展的第一步，早年，SpaceX公司总裁埃隆·马斯克就曾提出雄心勃勃的火星移民计划。他在接受《华盛顿邮报》记者专访时，曾透露过更多关于火星探索计划的细节。实现可回收火箭技术只是火星探索计划的第一步，SpaceX计划会用货运飞船率先前往火星，而后向其发射载人航天器，最终建成人类火星移民基地。

应用领域

可回收火箭主要应用于载人航天、货物运输、卫星发射、军事应用以及各种商业化应用，如太空旅行。未来，在太空旅行过程中，可回收火箭动力系统沿用火箭发动机，起飞阶段就像火箭发射一样，爬升到距地球约100多千米的亚轨道上，停留约10分钟后，再依靠惯性像飞机一样返回地球，水平着陆。整个过程大约30分钟，全程都按照预定程序，全自动飞行。游客不用穿航天服，甚至可以带手机拍照发朋友圈，像航天员一样在舱内飘来飘去，透过窗户从太空眺望地球。由于运载器本身有纠错功能，即使指令有误，也能返回正确轨道。因此，游客还有机会体验太空驾驶的乐趣。