“拾荒”界的“扛把子”

人类第一次发射火箭以来，火箭的残骸要么落下来报废，要么变成太空垃圾四处游荡。然而，自从2016年马斯克的“猎鹰九号”火箭在海上平台成功回收后，火箭回收便在全世界航空航天界流行了起来。

1.火箭回收利大于弊

实际上，在马斯克之前，美国的商业太空公司“蓝色起源”便已经使用“新谢泼德”火箭将同名的飞船送到了太空，并且成功完成了火箭和飞船的回收。只不过，“新谢泼德”火箭和飞船的飞行高度仅达到100.5千米， 刚刚越过“卡门线”。卡门线是国际上公认的外太空与地球大气层的分界线。马斯克的“猎鹰九号”则直接将搭载的卫星送入了预定轨道。

那么，世界各国为什么都要争前恐后地进行火箭回收研究和试验呢？

原来，所有的航天器都需要运载火箭来帮助它们实现升空。目前，人类采用的一次性运载火箭在推动飞船或卫星进入太空的过程中，不得不抛弃一些零部件。比如第一级助推火箭、第二级助推火箭、逃逸塔、整流罩等。如果我们能够成功将这些零部件回收并重复使用，必将大大降低太空探索的成本。同时，火箭回收还有利于保护地面人员和财产的安全。因为第一级助推火箭、第二级助推火箭、整流罩等会因为不能完全燃烧而变成残骸掉落回地面。

从目前世界各国的实际操作来看，回收运载火箭的工作主要在于对第一级助推火箭的回收，以及同时将第一级助推火箭和第二级助推火箭全部回收。

一般来说，第一级助推火箭是火箭的主要发动机，负责将火箭带离地球的大气层，并给火箭提供足够的速度和高度来进入轨道。第一级助推火箭具有尺寸大、重量重、高价值、原件多等特点，而且它在飞行过程中会分离并返回地面。因此，相对来说第一级助推火箭的回收难度不是那么大，而且带来的收益也会更大。

第二级助推火箭则是在第一级助推火箭完成使命后启动的另一个发动机，它们通常可以被多次点燃，因此能将火箭推向更高的高度，并将火箭带入更远的轨道。第二级助推火箭尺寸较小，重量也较轻，设计和制造的要求也较高。因此，对第二级助推火箭回收再利用的难度和代价要比仅回收第一级助推火箭大得多。所以，全世界各国现在回收火箭技术的研究基本上是针对第一级助推火箭展开的。

2.回收火箭的方式

2023年7月18日，美国火箭实验室公司的“电子号”小型运载火箭执行了第39次发射。这是一款高度仅18米、直径1.2米、起飞重量12.5吨、低轨运力仅有300千克的两级小型运载火箭。由于此次发射采用了“箭体伞降、缓降落海、船只打捞”回收第一级助推火箭的方式，因此受到世界各国的关注。

“电子号”在发射升空2分30秒后，第一助推火箭、第二级助推火箭成功分离。第一级助推火箭分离后，立即打开引导伞，用于稳定火箭箭体的姿态。随后，降落伞打开，用于缓解火箭箭体下落的速度。最后，根据第一级助推火箭上携带的信标，回收船赶到现场，将其从海里捞起来。

据了解，目前火箭回收主要有降落伞回收、垂直起降回收和滑翔回收三种技术。

而此次“电子号”便是利用了降落伞回收技术。降落伞回收技术的优点在于系统简单，火箭运力损失较小；缺点则在于降落伞对火箭箭体的控制能力较差，降落的地域随机性较大。另外，海水对火箭箭体的腐蚀性，也是让科学家头痛的问题。

垂直起降回收技术可以通过垂直降落回收第一级助推火箭并重复利用，它要求该火箭能够垂直起飞并且垂直降落。简而言之，就是第一级助推火箭预先留下一部分燃料，当与第二级助推火箭分离之后，主发电机再次点火，以确保第一级助推火箭降落到预定的着陆场地。不过，垂直起降回收技术的难度相对来说很大。

2024年1月19日，我国民营企业自主研制的可重复使用液氧甲烷运载火箭“朱雀三号”在酒泉卫星发射中心完成飞行试验。这款垂直起降可重复使用的火箭长76.6米，直径4.5米，起飞重量约660吨，运载能力约21.3吨。此次试飞飞行时间约60秒，飞行高度约350米，着陆位置精度更是达到了2.4米。

滑翔回收技术要求发射国家国土广袤，以便火箭返回机场。同时由于其需兼顾火箭和飞机两种飞行模式，导致系统异常复杂，并且综合成本极高。所以，对于滑翔回收技术的研究一直进展缓慢。

3.第二级助推火箭回收

第二级助推火箭是指在第一级助推火箭发射后，由第一级助推火箭发射的物体再次发射的火箭。一般来说，第二级助推火箭可以用于时间更长的任务，并飞到更远的距离。也就是说，它能够将物体发射到更高的轨道。当然，有些火箭还可能使用第三级助推火箭、第四级助推火箭，甚至更多级别助推火箭的设计，以达到更高的速度和更远的距离。

科学家为了实现更大的回收利益，进一步降低太空探索的成本，把目光投向了第二级助推火箭的回收。国外的研究数据显示，如果回收再利用第一级助推火箭，大致能降低运载火箭成本的80%；如果回收再利用第二级助推火箭，运载火箭的成本将降低99%左右。

但是，第二级助推火箭从轨道返回地球的速度高达25马赫（相当于25倍音速）。要回收第二级助推火箭首先需要考虑其上面的烧灼、隔热结构。

美国迄今为止一共建造了6艘宇宙飞船。但他们使用的增强型碳-碳隔热瓦耐撞击性、可替换性差，最终成为其致命缺陷。一块陨石从太空坠落进入大气层后，由于与大气产生剧烈摩擦，其表面温度超过2 000℃。绝大多数陨石也会因此熔融、剥离、分解，最终消失在大气层中。

第二级助推火箭从卡门线以上向地面坠落的过程中，也会面临高温烧灼的问题。马斯克的太空探索技术公司就曾经发现其产品“龙”飞船在返程途中进入地球大气层时受到了伤害。他们在飞船的隔热瓦上发现了一些没有想到的流动现象，而且腐蚀现象比预期的还要严重。

实际上，耐热和返回结构的问题，仅仅是第二级助推火箭回收技术中需要解决的众多问题中的一个。到目前为止，世界各国提出了诸多第二级助推火箭回收技术的思路。比如，带滑翔翼返回方案、火箭主动冷却方案、柔性充气式热盾方案等。但是，不论哪一种思路或方案都面临着许许多多的问题，人类对于第二级助推火箭回收技术的探索仍然还在继续。