美国火箭实验室“电子号”火箭是如何完成回收的？

众所周知，美国太空探索公司(SpaceX)“猎鹰9”(Falcon 9)运载火箭的一子级早已实现超过十次的回收复用，并且周转时间最低已降到约27天，最终目标是24h内快速检测并重复使用，极大降低了“猎鹰9”的单位载荷运载成本、缩短了发射周期。目前，火箭实验室公司“电子号”小型运载火箭虽然采用了全碳纤维箭体、增材制造电动泵液氧煤油发动机等低成本技术，并且火箭整体通用化、模块化设计，然而“电子号”的单位运载成本依旧居高不下(与其它小型运载火箭相比)。

另一方面，根据火箭实验室公司的阐述，未来“电子号”运载火箭的发射频率将达到一周一发，这使得生产和制造速度根本无法满足需求。从目前的情况来看，“电子号”一子级的制造周期约为30天左右，占整箭生产时长的40%、成本占整箭的约50%。同时，火箭实验室还在积极扩展生产能力，但是受到上游供应商的限制，生产能力的扩展远不能够满足未来高发射频率的需求。将“电子号”一子级由一次性使用转变为可重复使用迫在眉睫，这也是火箭实验室要推进“电子号”一子级回收使用的最重要的原因。

“电子号”火箭升至71km高空后，一子级的九台“卢瑟福”发动机关闭，并且与二子级分离，此时火箭速度可达8400km/h。一子级在惯性的作用下继续飞行至170km高度，然后在引力作用下再入大气层。

在再入过程中，一子级将面对极其严苛的热环境，这种再入方式下的力热载荷会对一子级产生比较严重的影响，火箭实验室将这一过程形象地称为穿“墙”。经过模拟计算，一子级再入过程中的顶峰速度可达7500km/h(约6Ma)，底部接触面要承受120kPa的气动压力和约2400℃的高温。由于“电子号”一子级没有发动机的反推减速，完全靠气动减速，这比SpaceX“猎鹰9”一子级的回收条件更加严苛。

因此，“电子号”一子级的底部防热系统(TPS)需要特别设计，但目前火箭实验室并未公开展示TPS方案。参考气动仿真结果，一子级的碳纤维复合材料箭体表面可能涂覆有抗氧化涂层，按照现有的材料技术完全能够承受再入过程中的高温。9台“卢瑟福”发动机采用钛合金超材料增材制造而成，同样也能承受高温。

另外，将原本为一次性使用的箭体结构改造为可重复使用，需要在有限的空间和负载裕度的条件下增加姿态控制系统(RCS)、定位系统、降落伞系统以及热防护系统(TPS)等，这为箭体优化带来了极大的设计难度。火箭实验室在一子级和二子级的级间段安装了RCS，用来在再入过程中调整箭体姿态，保证箭体垂直且发动机始终朝下降落;安装了定位信号发射设备;安装了能够承受数吨减速拉力的降落伞系统。

火箭实验室“电子号”的回收方案采用“无动力气动减速+直升机空中捕获”的方案，特点是回收所需的辅助载荷质量小;空中捕获不会溅落至海面后造成腐蚀，且效率高。

火箭实验室针对“电子号”一子级的回收设计了“三步走”策略：第一步，利用制导控制确保一子级降落位置可控;第二步，利用降落伞实现减速溅落;第三步，利用直升机空中捕获实现回收复用。

2019年12月，在“跑出手掌心”(“Running Out Of Fingers”)第十次“电子号”发射任务中首次尝试一子级再入试验。本次试验火箭实验室的主要目的是收集一子级再入大气层过程中的重要数据，他们在级间段安装了飞行记录设备，被称为BRUTUS(Blackbox Recorder and Useful Telemetry Upload System)，也即火箭“黑匣子”，是一个紧凑可靠的数据采集装置，改装自美国Maxwell立方星部署装置。

BRUTUS的主要功能是：对级间段上RCS施加指令，控制再入攻角;实时传输和记录视频、加速度、温度、气压等再入阶段的资料和数据。

基于第一步试验的成功，火箭实验室开始为“电子号”一子级设计主降落系统(Main Descent System，MDS)。MDS的核心是一个三级降落伞系统，由超声速引导伞(Supersonic Pilot Parachute)、超声速稳定阻力伞(Supersonic Stabilising Drogue Parachute)和亚声速收缩环形主伞(Subsonic Reefed Ringsail Main Parachute)组成，可以使最终溅落速度降低到10m/s。

超声速引导伞在距离地面约6km高度通过发射装置喷射而出，发射装置由独立的氮气喷射驱动。随即引导出超声速稳定阻力伞，之后亚声速环形主伞跟随稳定阻力伞被拉出。稳定阻力伞拉开后，一子级的降落速度迅速从1.5Ma降低到0.3Ma。

为了防止主伞快速张开导致过大的超重，使一子级和级间段结构毁坏，亚声速环形主伞由一个收缩装置限制，首先展开约主伞总面积的5%，然后在10s内逐渐全部展开。

即使有收缩装置的限制，在主伞打开过程中，级间段的瞬时拉力可以达到60kN，为了保证级间段能够承受住极大的压力，火箭实验室对级间段进行了加固，专门定制了一套极大强度的降落伞连接、释放机构。

2020年11月，火箭实验室在“重新返回”(“Return to Sender”)“电子号”第16次发射任务中，对一子级主降落系统(MDS)进行了试验，成功完成了首次一子级的回收。在任务中，回收团队驻扎在距预计降落点10海里的位置，于一子级溅落海面后1.5h抵达，采用回收船上的吊车将一子级平放到甲板上，随后运回火箭实验室公司位于新西兰奥克兰的生产厂(Auckland Production Complex)。

2021年3月，“电子号”第20次发射任务中，火箭实验室第二次进行了一子级回收试验，T+449s引导伞打开、T+470s一子级速度降为亚声速、T+520s主降落伞展开、T+524s溅落在海面。

就在主降落系统(MDS)研制完成后5个月，2020年8月，火箭实验室在新西兰连续进行了两次一子级的抛投试验，模拟了一子级下落过程中的典型气动特点，验证了MDS的可靠性。两架火箭实验室的贝尔429直升机参与了试验，一架部署在2438m高空，下挂模拟一子级;另一家部署在1524m高空，准备在空中进行捕获。模拟一子级被释放后，立即按程序打开MDS，缓慢降落过程中直升机通过一个三角钩挂住引导伞和主伞之间的绳缆，成功实现回收。

不同的是，在该实验任务中主降落伞并非环形主伞，而是翼伞结构，同样由引导伞牵引展开。由于环形伞是利用巨大的伞衣承受空气阻力，几乎没有自主的水平速度，完全随风飘移。而翼伞根据飞机机翼产生升力而设计，水平速度能够控制。采用翼型伞进行试验的目的可能一方面是为了模拟真实一子级再入过程中较高的水平方向速度，使试验更加真实;另一方面是为了测试直升机在较高水平速度下捕获的可行性。

火箭实验室公司期待成为SpaceX后下一个掌握回收技术的私营商业公司，也学习到了SpaceX高频高效的试验方式，短短数月内的两次一子级溅落回收为以后的直升机捕获回收提供了大量的数据和经验。

此外，火箭实验室在不大规模增加“电子号”无效负载的基础上完成了一子级回收方案的设计，通过回收试验测试了箭上电脑、惯导装置(IMU)、姿态控制系统(RCS)、传输系统、热防护系统还有降落伞系统(MDS)的性能。虽然直升机空中捕获尚未实践，但按目前的进度来看不久应该会开始试验。