在可回收火箭这条赛道上，中美商业航天企业正展开激烈竞争。
01
可复用火箭新突破
这是一个可载入中国商业航天史册的关键时刻。
2024年9月11日12时，产自浙江的朱雀三号VTVL-1可重复使用垂直起降回收试验箭（简称：朱雀三号VTVL-1试验箭），在我国酒泉卫星发射中心·蓝箭航天液氧甲烷火箭发射工位，圆满完成十公里级垂直起降返回飞行试验。
本次试验中，朱雀三号VTVL-1试验箭空中飞行总时间为200.7s，经历“上升-发动机关机-无动力滑行-发动机空中二次起动-软着陆”过程。
其中，起飞后约113s发动机第一次关机，关机后火箭继续依靠惯性飞行至距地面高度10002m的最高点，为抵消36m/s的高空横风干扰，火箭依靠高空风修正、栅格舵和冷气姿控来稳定飞行姿态。
经过无动力滑行约40s后，在火箭高度降至4.64km、速度达到0.8Ma情况下，发动机进行空中100%工况二次点火，火箭进入着陆减速段，并通过在线制导控制算法，调节发动机推力和飞行状态，引导箭体在距离发射工位约3.2km的回收场坪实现软着陆。
据悉，本次任务是继2024年1月圆满执行百米级飞行试验任务之后，对大型液氧甲烷重复使用火箭垂直起降回收各项关键技术的进阶验证。
关注本次实验具体火箭结构以及实验步骤的读者可直接拉到文末，有完整的示意图供大家展示，壹零社借此机会想和大家探讨的是——火箭回收的技术难点在哪儿？
02
火箭回收的技术难点在哪儿
固体火箭千般好，不敌液体火箭便宜——可回收火箭本身就是冲着性价比去的，这就好比不到10万的车，干嘛执拗三元锂电池？
动力系统是液体运载火箭极为重要的组成系统，发动机被誉为火箭的“心脏”。相比固体火箭，液体火箭凭借其发动机在高运力和可回收前景方面带来的成本优势，更加适合未来商业航天运载的应用场景。而从火箭材料、结构到系统程序，究竟谁才是制约火箭回收技术发展的关键呢？
这里，我们依旧以成本为突破口。
火箭的硬件设备在总成本中占有相当大的比例，而推进剂成本相对较低
火箭发动机价值量占比过半,发动机能否满足重复使用是技术路径选择的重要考量火箭的成本结构中，一二级火箭的硬件设备，尤其是发动机，占据了成本的绝大部分而推进剂成本相对较低。发动机作为火箭中价值最高且技术要求最严格的部分，其能否实现重复使用，是决定火箭回收和降低发射成本的关键因素。
在一次性使用的火箭中发动机成本占比高达 54.3%，而箭体结构、电气系统、阀门管路及执行机构、火工品等其他部分的成本占比相对较小。火箭回收和重复使用已成为降低成本的必然选择，通过实现火箭的可回收性，可以显著提高硬件设备的使用效率，将高昂的硬件成本分摊到更多的发射次数上，从而显著降低单次发射的成本。
液体火箭发动机典型结构
重复使用运载火箭涉及到发动机深度推力调节、高精度制导控制等关键技术。可复用火箭技术的核心在于实现发动机推力的灵活调节、精确的制导控制、优化的气动外形设计、高效的热防护措施以及快速的检测与维护流程。这些技术确保火箭能够安全返回并快速准备再次发射，有效降低成本，提高发射效率。
SpaceX的“猎鹰”系列就通过其 Merlin发动机的推力调节能力和在线凸优化制导技术，实现了火箭的垂直着陆。同时,“星舰”的气动外形经过多轮优化，增强了飞行控制能力。快速的检测与维护流程，如改进的着陆支架设计和健康管理理念，进一步缩短了火箭的再次发射准备时间。这些技术的集成应用，为火箭的可复用性提供了强有力的支持。
SpaceX“猎鹰”系列的Merlin发动机
发动机之外，重复使用运载火箭遵循先一级重复使用后完全重复使用、多种回收方式并存但更倾向于动力垂直回收、火箭研制理念持续革新的发展途径。
当前，技术与经济的现实限制使得完全重复使用火箭尚不可行，因此业界采取了先实现一级火箭重复使用的策略。
火箭结构示意图
一级火箭重复使用不仅能有效降低发射成本，而且为末级火箭的回收提供了技术积累。动力垂直回收因其高着陆精度和对现有设计改动小，成为中大型火箭回收的主流方式。火箭设计也在经历革新，以适应全任务剖面和全生命周期的需求。这包括在上升和返回段承受的复杂载荷工况、气动控制、热防护,以及多次使用的检测维护和疲劳载荷等因素。
火箭设计需在满足性能的同时，兼顾可回收性和可维护性，特别是在大气层内飞行时要优化气动外形和热防护系统，以应对更大的法向载荷和气动热效应。
03
为何可回收火箭选择垂直发射和垂直回收
在航天技术的长河中，火箭的垂直发射已成为一种经典而普遍的发射模式。随着可回收火箭技术的崛起，这一古老方式似乎并未被淘汰，反而成为了一种创新的选择。
为何在追求火箭重复使用、降低成本的大背景下，可回收火箭依然坚持垂直发射？这一决定背后，是技术传承的必然，还是对未来探索的深思熟虑？这里我们不妨先从火箭的垂直发射技术谈起。
发射台上的火箭起飞后，如果推力大于重力，火箭就会慢慢且平稳地垂直上升，并逐渐加速飞向空中。假设是倾斜发射，火箭要在倾斜的发射架上滑行非常长的距离才能获得足够的起飞速度，以免掉到地上，这就需要一条比箭体更长的滑行轨道。这样长的滑轨不仅笨重、稳定性差、安装困难，发射时所产生的振动还会影响火箭的精度，何况放置滑轨还得有一个开阔平坦的发射场。同时，由于火箭处于倾斜状态，点火启动时尾部会喷射出高温高速高压燃气流，因此还需要一个相当长的安全区。
火箭飞行中所受的空气阻力和大气的密度、压力、温度有直接联系，而空气的因素又随高度的不一样而发生变化，而垂直发射能够使火箭尽快地穿过浓密的大气层进入高空飞行，以降低大气对火箭的影响。
因此，垂直发射火箭是最合理的发射方法。
而在可回收火箭为何也采用垂直回收方式，这里不妨以目前公开技术资料相对较多的Space X “猎鹰”9谈起。
“猎鹰”9 采用垂直返最高的回收模式。猎鹰 9子级回收技也可公认商业价术方案为在一子级上部增加栅格舵，用于回收飞行过程中的姿态控制，并在火箭尾部增加可折香式着陆支架。在下落过程中，主发动机进行3次点火，提供反推力，实现体的减速和降落。
“猎鹰 9 号”火箭一级回收飞行剖面
实现火箭垂直回收有两大难点，一是前面提到的发动机推力可调、且能重复使用；二是控制系统精准无误，主要涉及发动机深度推力调节、高精度制导控制等关键技术。
高精度制导与控制技术直接关系到终的着陆精度和安全性，不同的着陆回收方式会有不同的制导控制方案，但都离不开在线轨迹规划和制导控制技术的发展。对于垂直起降火箭来说，最有挑战的是最后的动力下降着陆制导。
SpaceX 公司的猎鹰-9火箭采用了在线凸优化制导方法，从而能够实现在零点几秒内对精确着陆段轨迹规划问题在线快速求解。同时，为了提供足够的控制力，SpaceX 公司在火箭上安装了4片具有较高控制效率的栅格舵和RCS，配合主发动机推力矢量控制并具有较强鲁棒性的自适应控制算法，为火箭在各飞行段提供姿态稳定和控制。
SpaceX“猛禽”发动机采用液氧甲烷推进剂
目前，中国可重复使用运载火箭发展的核心痛点在于火箭发动机，特别是具备深度变推能力、多次点火能力的可回收液体发动机。从猎鹰系列火箭成功回收与重复使用的数据来看，在成熟掌握液体发动机大范围推力可调技术的情况下，垂直回收的技术可靠性将大大提高，该技术为制约垂直回收技术研发的关键。
液体火箭燃料主要包括液氧煤油、液氧液氢和液氧甲烷等，而液氧煤油和液氧甲烷被看作是两条主流路线。其中，液氧甲烷具有可多次启动、综合成本最低等优点，是商用可回收运载火箭的更优选择。
04
运载火箭如何实现箭体回收？
如果说垂直发射火箭是经过多方面反复考量的结果，那运载火箭又是如何实现回收的呢？难不成全都自由落体？
事实上，目前运载火箭箭体回收方法有伞降回收、垂直返回和带翼飞回3种回收方式。各种回收方式都具有自身的特点，选择何种回收方式应根据自身运载火箭的技术及发展情况，以及自身的任务需求，进行最合适的选择。
3种运载火箭回收方式对比
05
全球运载火箭格局：民营商业火箭崛起
现代火箭可以用作快速远程运输工具，例如探空、发射人造卫星、运载载人飞船和空间站，以及作为其他飞行器的助推器等。20世纪20年代，戈达德的液体燃料火箭实验奠定了现代火箭技术的基础，20世纪中期,美苏太空竞赛推动了火節技术的快速发展，标志性事件包括苏联的“斯普特尼克1号”和美国的“阿波罗11号”。
随着技术进步，火箭逐步朝着更大运力和可回收方向发展，SpaceX等私营公司的崛起通过先进制造和火箭可回收技术创新降低了太空探索成本，推动了商业太空旅行和更多太空任务。
目前具备火箭发射能力的国家主要有美国、中国、欧洲、俄罗斯、印度等。近年来全球航天发射进入新的高峰期，2023年,全球运载火箭发射次数大幅跃升，首次突破200次大关，达到223次，较上年增长19.9%。2023年全球发射能力仍集中于美中俄三国占发射总数80%以上，三国的主力运载火箭猎鹰系列、长征系列、“联盟”系列的发射次数已占全球70%以上。
而在商业航天火箭领域，过去几年时间里我国商业火箭领域初创企业涌现,包括蓝箭航天、天兵科技、星际荣耀、东方空间、星河动力等商业航天公司均推出了各自的火箭型号，涵盖了液体火節和固体火箭等各类燃料型号。
据央视网，2023年我国民营火箭共发射13次,同比2022年增加160%，预计我国商业航天产业规模将突破2.3万亿元.海南商业航天二号发射工位能够满足9家火箭公司的19型火箭,目前中科字航、蓝節航天、天兵科技等许多国内头部商业航天企业都已经或计划落地文国际航天城，为后续我国低轨卫星大规模组网做好准备，2024年预计纯民营的火箭发射次数占我国总发射量比重会达到25%-30%。
而在人们最为关注的可回收火箭领域，我国商业火箭领域至少有六款可回收火箭正在研发进程中，分别是天兵科技的天龙三号(2024年9月首飞)、深蓝航天的星云一号(预计2024年底首飞)、星河动力的智神星一号(预计2024年首飞)、蓝箭航天的朱雀三号(预计2025年首飞)、东方空间的引力二号(计划2025年首飞)、星际荣耀的双曲线三号(预计2025年底首飞)。
民营商业火箭基础数据
中国商业航天还没有实现液体可回收火箭真正的入轨发射，目前多方均在研发攻关：
·航天科技:长征系列，例如长征-8R
·星际荣耀:双曲线三号(计划于 2025 年首飞)
·深蓝航天:星云-1
·天兵科技:天龙三号(计划于 2024 年上半年首飞)
·蓝箭航天:已经启动可回收火箭的研制项目，预计 2025 年下半年进行飞行试验星河动力:智神星一号(预计 2024 年下半年首飞)
回顾 SpaceX 可回收火箭的研发试验过程，在 Falcon 9 火箭的正式入轨发射任务之前，使用Grasshopper 与 F9R Dev(几乎是“猎鹰 9”火箭的一级火箭部分)完成了多次低空垂直回收飞行验证。国内民营火箭公司深蓝航天、星际荣耀等均公告了在低空垂直回收飞行验证的最新进展可回收火箭技术攻关指日可待。
总体而言，当下全球航天产业呈现出一种新的趋势，SpaceX星舰两次试飞表现出的稳定性和技术进步速度后，在西方航天界基本接管了运载工具的运营和研发工作，完成了国营向民营的任务目标交接。以美国重返月球的阿尔忒弥斯计划为总框架，西方航天开始调动民营力量进行空间层面的应用研发。其中商业月球有效载荷计划 CLPS 是重要且有效的一步,在这个计划框架下2028 年前将会有26亿美元项目，由 14 个西方民营航天供应商完成月球探测。
中国民营火箭技术也在快速发展中，为中国的卫星星座组网带来新机遇。随着星网建设拉开大幕，民营火箭型号的成熟有望加快组网进度。
