南京航空航天大学液压 法尔肯9可重复使用火箭发展综述

摘要：美国SpaceX公司于2011年9月宣布研发法尔肯9可重复使用火箭，迄今已完成多次试验，引起国际航天领域的广泛关注。简要介绍法尔肯9可重复使用火箭的回收方案，梳理相关试验情况，并对涉及的关键技术进行分析，最后在此基础上对研制经验和启示进行总结。

关键词：SpaceX；法尔肯9；垂直返回；关键技术

0 引 言

如何降低发射费用是整个航天工业界面临的主要挑战之一，当前世界各航天发达国家一致认为运载器实现重复使用是降低运载成本的有效途径[1]。不同于一次性运载火箭发射后完全废弃的方式，可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle，RLV）通过不同方式回收并多次发射、重复使用，采用费用均摊的原则，能大幅降低单位有效载荷发射成本，具有极高的军事和民用价值[2]。

美国在航天飞机研制成功后直至21世纪初，主要进行了2次规模较大的RLV研制工作，即1986年开始的国家空天飞机（National Aerospace Plane，NASP）计划和1996年开始的X-33计划，它们的共同特点是单级入轨（Single Stage To Orbit，SSTO），由于技术难度大，在花费巨额投资后于1995年和2001年相继下马。美国在研制单级入轨RLV上受到的挫折使人们深刻反思并认识到，以火箭发动机为动力的多级入轨、部分/完全可重复使用运载器能够充分继承现有航天运输技术的成果和经验，是近期RLV发展的目标[3]。

SpaceX公司是美国政府力推的私营商业航天企业，自2002年成立以来，先后实现了小型运载火箭、中型运载火箭和货运飞船的自主研制、试验和发射。2011年9月30日，SpaceX公司首席执行官兼技术总监艾隆·马斯克（Elon Musk）对外宣布其公司将研发法尔肯9可重复使用火箭。近年来进行了多次试验，并在2015年12月21日的发射中首次成功完成一子级的陆地回收，引起了国际航天的轰动。

本文对法尔肯9可重复使用火箭的回收方案和相关试验进行介绍，并分析其中涉及的关键技术，在此基础上总结研制经验和启示，为中国重复使用运载器的研究与发展提供参考。

1 法尔肯9可重复使用火箭回收方案概述

法尔肯9可重复使用火箭包括可重复使用的一子级、二子级。一子级在火箭一、二级分离后垂直返回，二子级将有效载荷送入预定轨道后再入大气层垂直返回。回收设想如图1所示。

图1 法尔肯9可重复使用火箭回收设想

垂直返回是为解决运载火箭重复使用而提出的一种回收技术。垂直返回技术是指火箭子级在完成任务后，通过自身携带的控制系统和动力装置，按照设定的轨迹自主飞回着陆场，并以垂直的箭体姿态缓慢稳定地降落到指定着陆场。相比于有翼重复使用助推器水平着陆方式，垂直返回对火箭外形及总体布局影响较小。

法尔肯9可重复使用火箭子级返回时靠主发动机点火反推实现减速，垂直着陆时由安装在子级下部的着陆支架支撑。回收后的子级经修复、组装并补充燃料后，可重新执行发射任务。

2 法尔肯9可重复使用火箭相关试验情况

为研制法尔肯9可重复使用火箭，SpaceX公司制定了多元、渐进式发展的可重复使用技术验证计划，包括以下3种试验：低空（低于3.5 km）、低速试验；高空（3.5~91 km）、中速试验；高空（91 km以上）、高速的再入、受控减速、受控降落试验。其中前两种主要通过蚱蜢（Grasshopper）验证机和法尔肯9R Dev验证机进行验证，截至目前，已分别完成8次、4次试验；而第3种则在法尔肯9火箭的实际发射任务中进行，截至2016年1月，已尝试了9次。

2.1 蚱蜢验证机垂直起降试验

蚱蜢验证机（见图2）装备了法尔肯9v1.0火箭的第1级贮箱，底部安装4个钢着陆支架，配备1台Merlin 1D发动机，其推进剂为液氧煤油，推力可达541.9 kN，验证机机体高32.3 m，其中贮箱高25.9 m。

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