首次实现双复用的SpaceX CRS-13发射

2017年12月15日,SpaceX的猎鹰9火箭发射执行CRS-13任务。火箭成功将货运飞船(龙飞船)发射升空,随后一级火箭成功在佛罗里达州卡纳维拉尔角1号着陆点降落回收。CRS(Commercial Resupply Services)是NASA与商业火箭发射公司签订的一系列国际空间站(International Space Station, ISS)货运服务合同,其中约三分之二的合同服务由SpaceX公司履行,CRS-13是合同履行的系列发射之一。

SpaceX对CRS-13发射任务进行了全程直播。抽空仔细观看了发射全过程的录像回放,有如下几点观感:

一. 此次发射首次实现双复用,即一级火箭和货运飞船都是重复利用。SpaceX在Instagram上发布的官方说法是:’First mission using both a previously flown Falcon 9 rocket and a previously flown Dragon spacecraft’(首次采用以前飞过的猎鹰9火箭和龙飞船的任务)。由此,SpaceX执行单次航天发射任务的边际成本大幅度降低

图:SpaceX官方Instagram账号截图

二. 发射直播画面整合了动态实时视频、仪表数据、过程进度及关键控制点显示,让观众可直观、完整地了解发射全过程。画面图像质量很高,特别是高倍光学摄像机拍摄的火箭一级、二级火箭分离,一级火箭RCS(Reaction Control System,反应控制系统或反作用喷流控制系统)控制姿态调整,随后一级火箭重新点火(Boostback Burn)的过程清晰可见,让人印象深刻。

图:一级二级火箭分离,位于一级火箭顶部的RCS喷出气流,反作用力使得一级火箭调头,进入返回轨道

图:一级火箭重新点火并返回,二级火箭搭载龙飞船继续飞行

三. 发射直播过程气氛轻松、欢快。俊男靓女主持人谈笑风“扔”。每个发射关键控制点顺利通过时,现场响起工作人员的鼓掌声、欢呼声、口哨声。航天发射本来就该是件愉快有趣的事情。

四. 以后的商业航天货运发射也就像送快递,SpaceX等是物流公司,火箭是“运货卡车”,飞船是“送货小车”,收件地址则是国际空间站或其他空间基地。呵呵呵。

市场和商业竞争让原本高大上的东东,譬如航天发射去神秘化,变得不那么昂贵、甚至娱乐化,这本身也是一件有趣的事情。

SpaceX火箭的栅格翼(Grid fin)

SpaceX的火箭可回收系统(SpaceX reusable launch system)的目标是让火箭能够重复使用,该回收系统目前被用于Falcon 9 v1.1和Falcon Heavy火箭。回收系统的一个明显特征就是采用了栅格翼(或称“栅格舵”,英文Grid fin)。

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图:Falcon 9火箭上展开的栅格翼

SpaceX火箭栅格翼的首次测试出现在2014年6月17日。测试火箭上升1000米后,然后徐徐成功降落。视频中可清晰地看到,栅格翼在上升过程中是收起的,开始降落时展开,精准控制火箭降落。

在2015年1月10日,Falcon 9火箭成功发射,其携带的为国际空间站(ISS)运送货物的龙飞船(Dragon ship)也同样成功完成任务,但火箭在随后进行海上自动驾驶无人船平台降落回收时失败。对于此次火箭发射回收中栅格翼的作用,官方描述是:“A key upgrade to enable precision targeting of the Falcon 9 all the way to touchdown is the addition of four hypersonic grid fins placed in an X-wing configuration around the vehicle, stowed on ascent and deployed on reentry to control the stage’s lift vector. Each fin moves independently for roll, pitch and yaw, and combined with the engine gimbaling, will allow for precision landing – first on the autonomous spaceport drone ship, and eventually on land.(用于本次猎鹰9火箭精准着陆的关键升级措施是增加了高超音速栅格翼。栅格翼以X翼形环绕火箭安装,上升时收起,重入大气层时展开以控制一级火箭的升力矢量。每个栅格翼独立做出翻滚、俯仰和偏摆动作,结合火箭引擎的推力矢量控制,从而实现精准着陆。首先实现在海上自动驾驶无人船平台上着陆,最终实现在陆地着陆。)”

多次返回着陆尝试后,猎鹰9一级火箭在2015年12月首次陆上返回降落成功,2016年4月首次在海上自动驾驶无人船平台上返回着陆成功

视频:栅格翼执行动作,控制火箭主推进器降落在海上自动驾驶无人船(视频来源:Pranay Pathole

视频:火箭主推进器降落在陆地(视频来源:@SpaceX

猎鹰9火箭的栅格翼尺寸不大,约4英尺X5英尺见方。栅格翼的翻滚、俯仰和偏摆的三维度控制动作可以让14层楼高的一级火箭实现最大20度角的偏转

图:从Falcon 9火箭上拆卸下来的栅格翼(图片来源Justin Swartz

图:在Space Center Houston展览的Falcon 9火箭,栅格翼展开,和参观的人形成大小对比。(图片来源Manuel Delgado

2017年6月的一次发射中,栅格翼进行了升级,一者尺寸增大,二者材料由铝换成了钛。铝制栅格翼在表面有热保护涂层,即便如此在火箭重入大气层时也较容易烧坏。钛制栅格翼不需要热保护涂层,抗热性能也有显著提高,回收后可不用更换。

图:Falcon 9火箭的钛制栅格翼(图片来源arstechnica

栅格翼是苏联人在上世纪70年代发展起来的技术,最早用于弹道导弹控制。研究和实践证明,栅格翼的一个重要特征就是能够比传统平板翼(Planar fin)更好地控制飞行器,让飞行器更不容易失速(The small chord length of grid fins also makes them less likely to stall at high angles of attack. This resistance to stall increases the control effectiveness of grid fins compared to conventional planar fins.具体参见这个2006年的旧帖Missile Grid Fins—很好的介绍栅格翼的知识帖)。通俗地讲,就是栅格翼可让火箭更不容易栽跟头,这也是Falcon 9火箭在降落时为何要打开栅格翼的重要原因。

栅格翼的另外一个空气动力特征就是在亚音速和超音速状态下,其波阻(Wave drag)不高于传统平板翼,也可以说能够低于平板翼。但是在马赫数为1,即所谓transonic状态时,其波阻却明显升高。栅格翼外形特征与减阻的关系,此论文有所研究。

中国目前也在进行利用栅格翼的火箭回收试验。2019年7月,长征二号丙运载火箭在发射中进行了所谓“栅格舵分离体落区安全控制技术”试验。“此次长二丙火箭一子级的落点控制就采用了栅格舵(即‘栅格翼’)控制,试验的成功对于解决我国内陆发射场落区安全问题有重要意义,同时也为我国运载火箭后续助推器及子级的可控回收、软着陆、重复使用等技术奠定坚实基础。”

2019年11月3日,长征四号乙运载火箭(CZ-4B)在太原卫星发射中心成功发射,火箭序号“遥三十八(Y38)”。资料显示,“此为首枚采用栅格舵一子级落区控制技术的长征四号乙运载火箭”。2020年9月21日,长征四号乙运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射,火箭序号“遥四十一(Y41)”。如下宣传图上,火箭一子级上方有展开的栅格舵。

图:长征四号乙运载火箭一子级展开的栅格舵(图片来源:知乎

2020年12月22日,我国新一代运载火箭长征八号在中国文昌航天发射场首飞,任务取得圆满成功。中国航天科技集团官方文章中,一张“未来改进型长征八号运载火箭拟开展芯一级与助推器整体垂直回收”示意图显示,芯一级火箭降落时,其上部有四个栅格舵展开。

未来改进型长征八号运载火箭拟开展芯一级与助推器整体垂直回收示意图(图片来源:中国航天科技集团