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火箭有去無回的歷史即將結束？

小知識

北京時間2015年1月6日， SpaceX公司原本要在卡納維拉爾角的空軍基地進行一次前無古人的發射任務， 令人遺憾的是“獵鷹9號”火箭在進入倒計時1分鐘內被緊急中止， 原因在于火箭上面級推力矢量裝置發生了故障 。

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“獵鷹9號”火箭其實非常普通， 但SpaceX公司賦予了它不尋常的特點， 這次發射將驗證此火箭的可重復使用性能， 第一級發動機在完成工作后會自主返回， 最終垂直降落在位于大西洋預定海域的海上移動平臺上 。

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何為可重復使用火箭？

可重復使用火箭屬于能夠被多次使用的航天運載器， 在這個家族中除了NASA的航天飛機能夠被重復使用外， 其余的運載工具都無法被再次利用 。 傳統的多級火箭基本屬于一次性使用產品， 從第一級到上面級， 完成使命后就被拋棄了， 分離后， 發動機也隨之損失 。 為了降低航天發射的費用， 美國與前蘇聯都開啟過火箭重復使用的計劃， 蘇聯在能源號火箭的研制過程中曾提出將RD-0120發動機進行重復使用驗證， 但收效甚微 。
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美國航天機構在航天飛機固體助推器上實現了重復使用， 通過一系列的起爆分離裝置讓助推器與主體分離， 然后開傘濺落 。 這種方式雖然在一定程度上降低了費用， 但可重復使用性仍然不高， 助推器的外殼也會在濺落過程中受海面沖擊而變形 。 需要注意的是， 航天飛機的運行成本較大， 已經背離了當初對可重復使用概念的設想， 因此研發新一代可重復使用的航天運載器成了降低入軌費用的最佳途徑 。

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火箭實現自主返回的技術難點

火箭的可重復使用性一般從兩個方面入手， 第一個是重復使用發動機；第二個是部分結構或整體可重復使用 。 早期火箭設計之所以為一次性使用， 是因為重復使用的經濟性太差， 還不如一次性使用劃算， 而且重復使用的技術難度仍然不小 。 進入21世紀后， 火箭發動機技術逐漸成熟， 于是SpaceX公司在2012年進行了“蚱蜢”火箭的驗證性試飛， 第一次試飛高度僅為1.8米， 在空中停留了3秒， 證明了火箭垂直降落的可能性 。 在之后的一年多的時間內， SpaceX公司陸續進行了多次試飛， 高度逐漸提升到700多米， 并展示出箭體對橫風的控制能力， 說明SpaceX公司掌握了火箭自主降落的狀態控制技術 。 隨后我們看到了SpaceX公司設計的著陸支架， 并安裝在“獵鷹9號”火箭第一級發動機圍殼周圍 。 從SpaceX公司的對可重復火箭的發展歷程上看， 實現發動機及其部分結構的可重復使用是完全可行的 。
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SpaceX公司通過“蚱蜢”火箭累計了火箭自主降落技術， 其技術難點主要集中這幾個方面：

1. 擁有成熟且先進的發動機技術
可重復使用火箭在返回級降落時需要發動機提供“隨叫隨到”的推力服務， 返回過程的程序飛行需要發動機多次開機、關機， 停啟性能必須滿足設計要求， 發動機工況也要維持在更高的水平上 。 尤其是當前發射場基本都建在海岸附近， 高鹽、高濕環境對發動機工況的維持其實是不利的， 各部件在滿足高速運轉時也要對抗環境的不利因素 。
值得一提的是， 可重復使用火箭的返回級發動機還需要保持較高的減損控制率， 否則即便返回級安全抵達地面也無法在短時間內投入下次發射， 甚至需要進行大修才能滿足發射的要求， 這也違背了可重復使用的初衷 。 同時還要有一套健康與故障診斷系統來監控發動機的狀態， 從而判斷返回后的發動機能否投入下次發射 。

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