可重復使用火箭回收到底有多難！

朱雀三號遙一運載火箭在東風商業(yè)航天創(chuàng)新試驗區(qū)發(fā)射升空，按程序完成了飛行任務，火箭二級進入預定軌道。

此次任務同時開展了火箭一級回收驗證，但過程中發(fā)生異常燃燒，未實現(xiàn)在回收場坪的軟著陸，回收試驗失敗，具體原因正在進一步分析排查。

發(fā)射的火箭為什么要回收？

朱雀三號是藍箭航天空間科技股份有限公司自主研制的我國首款不銹鋼液氧甲烷的可重復使用重型火箭?！安讳P鋼”聽起來不高端？但它便宜、結實、耐造，是搞“重復使用”的理想材料。

而“液氧甲烷”這種燃料，燃燒干凈、成本低，被看作是未來太空航行的“標準汽油”。把這些特點組合在一起，目標就一個：降低成本，實現(xiàn)航班化發(fā)射。

在制約人類航天夢想的眾多因素里，運力是個老大難的問題。SaceX成功之前，火箭跟煙花一樣是一次性產(chǎn)品，每公斤的發(fā)射成本在1萬-2萬美元，無法持續(xù)地將大量重要物資送上太空。直到SpaceX造出了可回收火箭，將成本降到3000美元左右。

一個多月前，在苦苦追趕SpaceX 10年后，由亞馬遜創(chuàng)始人貝索斯領導的藍色起源就宣布新格倫火箭首次成功回收。他們也成為全球第二家掌握火箭回收技術的公司。

許多人期待藍箭航天成為第三家，和另兩個資源投入遠超自己的巨頭掰掰手腕。按照藍箭航天的測算，如果朱雀三號成功，單公斤的發(fā)射成本有望降到20000元人民幣，可能比獵鷹9號還要低一點。

10月24日，在朱雀三號成功完成加注合練及靜態(tài)點火試驗后，馬斯克也表示贊賞：“他們在獵鷹9號架構中加入了星艦的一些特性，例如使用不銹鋼和甲烷氧化物，使其能夠擊敗獵鷹9號。”

事實上，掌握火箭回收技術將給全球航天格局帶來根本性的變革。數(shù)據(jù)顯示，今年美國發(fā)射了182次火箭，其中153次由獵鷹9號完成。相比之下，包含朱雀三號這次，中國發(fā)射了78次火箭，用的是十多種不同型號的火箭。

沒有回收能力，就意味著每次發(fā)射都要造新火箭，成本高、節(jié)奏慢。借助成本優(yōu)勢，SpaceX已經(jīng)將上萬顆衛(wèi)星發(fā)射上天，打造了自己的星鏈系統(tǒng)。

中國也提出了“千帆星座”計劃，對標星鏈將1.5萬顆衛(wèi)星送上天。沒有可回收技術的支撐，完成這一目標難度巨大。

火箭回收有哪些方式？

其實火箭回收并非SpaceX的首創(chuàng)，1993年，美國麥道公司的DC-X試驗火箭就完成了人類首次垂直起降演示。雖然只飛了45米高，持續(xù)59秒，但它證明了“讓火箭飛回來”在技術上是可行的。火箭回收也并不是只有一種方法，目前全球主要有六種典型技術路線：

垂直起降回收

這是目前最主流、最成熟的方式，代表作是SpaceX的獵鷹9號，通過發(fā)動機反推減速，實現(xiàn)一級火箭在海上或陸地平臺上精確著陸。中國的藍箭航天朱雀三號、天兵科技天龍三號也都采用同類技術路線。其優(yōu)勢是結構簡單、可重復性高，但要求發(fā)動機推力調節(jié)和著陸控制極為精準。

垂直起飛、水平降落/水平起飛、水平降落

這種方式依靠機翼滑翔返回。代表作是美國航天飛機以及目前在軌運行的X-37B空天飛機。它們在火箭或助推器推送下入軌，返回時像飛機一樣滑翔著陸。優(yōu)點是著陸平穩(wěn)、重復使用率高，但整體系統(tǒng)龐大、維護成本高，因此航天飛機已在2011年退役。

有翼助推器回收

指的是助推器自身帶有可展開翼面或發(fā)動機艙，返回時可滑翔或自主飛回。例如歐洲的Callisto回收驗證器、中國在研的可回收空天助推器方案，以及歷史上的蘇聯(lián)“暴風雪號”助推器設想。這類設計兼具VTVL與航天飛機的思路，但技術復雜度高，目前仍處于試驗階段。

降落傘/氣囊回收

這種方式歷史最早、技術門檻最低。早期的SpaceX獵鷹1號以及俄羅斯在研的小型助推回收實驗都嘗試過此方式。雖然結構簡單，但控制精度低、落點分散、海水腐蝕嚴重，難以實現(xiàn)多次復用，目前基本已被淘汰。

空中捕獲/直升機回收

代表作是火箭實驗室的小火箭“電子號”。他們曾使用直升機在半空中用鋼纜鉤住帶降落傘的火箭，實現(xiàn)回收。但由于操作風險高、成功率低、回收后維護困難，火箭實驗室已宣布轉向采用“中段再點火減速+海面濺落回收”的新方案，用于未來的“中子號”火箭。

塔臂/機械臂/網(wǎng)面捕捉

這是最新興、最具工程美感的方式。星艦超重型助推器“SuperHeavy”，已多次驗證了由塔臂“筷子”在空中夾回火箭的技術。其優(yōu)點是無須著陸支架、節(jié)省重量與燃料，但要求極高的地面控制與協(xié)調精度。中國航天曾發(fā)布動畫演示——通過“網(wǎng)格面捕捉”方式進行回收，看似科幻，但理論上可行。

回收火箭難度有多大？

雖然回收火箭有珠玉在前，但真正實現(xiàn)的難度依然很大，需要傳感器、柵格舵、飛行控制算法、可變推力發(fā)動機等軟硬件的完美配合。藍箭航天曾打過一個比方，將一級火箭的回收落點控制在米級，難度相當于從100層樓將一支筆扔進地上的一個普通筆筒。

圍繞朱雀三號此次飛行任務，全國空間探測技術首席科學傳播專家、中國空間科學傳播專家工作室首席科學傳播專家龐之浩評價道：朱雀三號首飛是“喜憂參半?yún)s意義深遠”的突破，雖未實現(xiàn)“雙圓滿”，但已展現(xiàn)中國民營航天的技術底氣與攻堅韌勁，這場“雖敗猶榮”的嘗試，正加速推動我國邁入可重復使用火箭時代。

“二級精準入軌驗證了750噸推力動力系統(tǒng)、不銹鋼箭體等核心技術的可靠性，完成了商業(yè)航天的關鍵使命，已是重大里程碑?！饼嬛票硎?，回收失利雖留有遺憾，但并非無用功——它完整走完了分離、姿態(tài)調整、發(fā)動機點火減速等流程，收集的高空風場、推力調節(jié)等數(shù)據(jù)將為后續(xù)改進提供關鍵依據(jù)，堪比“探路試錯”的寶貴實踐。

龐之浩指出，垂直回收堪稱航天領域的“頂級難題”：相當于讓“無翼鐵疙瘩”從數(shù)萬米高空精準“踩剎車”落地，需攻克發(fā)動機毫秒級推力調節(jié)、極端環(huán)境下姿態(tài)控制、著陸腿同步展開等多重難關，任何環(huán)節(jié)偏差都可能導致失敗。

以美國SpaceX的“獵鷹9”火箭為例，2010年首飛，2013年9月開始嘗試軌道級垂直返回回收，至少經(jīng)歷4次失敗后，才于2015年12月實現(xiàn)陸上軟著陸。之后又經(jīng)歷2次失敗，2016年4月才在海上平臺回收成功。今年1月，美國“藍色起源”公司“新格倫”火箭首次軌道級回收試驗也以失敗告終，11月才首次實現(xiàn)第一級海上回收。

四個“精確”的挑戰(zhàn)與四大關鍵技術的協(xié)同

中國科協(xié)航天科普專家顏翔認為，火箭回收最主要的技術挑戰(zhàn)在于四個“精確”：

精確制導：火箭要在高超音速下實時計算返回軌跡，從分離點到著陸點，每秒都在解算最優(yōu)路徑。稍有偏差，就可能偏離著陸場數(shù)公里。

精確控制：用柵格舵和反推發(fā)動機在稀薄大氣中調整姿態(tài)，就像用筷子去平衡一根20層樓高的鉛筆?；鸺匦母?、橫截面大，極易失穩(wěn)翻滾。

精確減速：燃料只夠一次機會，早了會墜毀，晚了會撞擊。發(fā)動機點火時機、推力大小必須分毫不差，最終以不到2米/秒的速度“輕吻”地面。

精確抗擾：高空風速可達每秒幾十米，火箭要像芭蕾舞演員一樣，在狂風中保持平衡。傳感器、執(zhí)行機構、飛控算法必須毫秒級響應。

他認為，實現(xiàn)火箭回收，本質上是要解決一個矛盾：既要讓火箭“猛”到能推送幾十噸載荷上天，又要讓它“柔”到能輕盈著陸。因此，還需要四項關鍵技術的協(xié)同突破：

發(fā)動機的“油門藝術”：傳統(tǒng)火箭發(fā)動機像賽車引擎，只管全力輸出。但回收需要的是“智能油門”：推力能從100%降到40%甚至更低，還要能空中重啟、精確調節(jié)。SpaceX的梅林發(fā)動機可以深度節(jié)流到40%推力，中國的天鵲-12也實現(xiàn)了50%-110%的推力調節(jié)。這種能力讓火箭能夠在最后時刻精確“剎車”。

空中的“雜技表演”：火箭在大氣層中高速飛行時，要完成三重控制：柵格舵像方向盤控制航向，RCS（姿態(tài)控制系統(tǒng)）的小推進器負責微調姿態(tài)，發(fā)動機擺動（推力矢量控制）則提供最后的精確修正。三套系統(tǒng)無縫切換，讓幾十噸的鐵柱子能在狂風中保持平衡。

毫秒級的“大腦運算”：火箭的導航系統(tǒng)融合了GPS定位、慣性測量和雷達數(shù)據(jù)，每秒計算上千次，實時規(guī)劃最優(yōu)軌跡。更難的是容錯設計——當某個傳感器失效時，系統(tǒng)要瞬間切換備份方案。這種算法不僅要快，還要在極端環(huán)境下絕對可靠。

經(jīng)得起“千錘百煉”的身軀：一級火箭要承受發(fā)射時的巨大推力、返回時的氣動加熱、著陸時的沖擊載荷，還要能重復使用20次以上。這需要新型鋁鋰合金、碳纖維復合材料，以及精巧的緩沖著陸腿設計。每個部件都要在極限工況下保持結構完整。