火箭也可以回收？来看看这些脑洞大开的招数！

2023-05-06 08:33:14 科普中国网

近日，美国火箭实验室公司透露，由于直升机空中抓取回收火箭屡次失败，正考虑更换方案，从海上回收溅落的火箭子级，以便翻新复用。这意味着，越来越热门的火箭回收业务又迎来了“换赛道”。那么，航天界现有的几种火箭回收方式各自有何优劣？未来人们有望看到哪些脑洞大开的火箭回收招数呢？

直升机空中抓取回收火箭屡次失败（来源：火箭实验室公司）

(资料图片)

传统回收模式有挑战

尽管越来越多的航天器频繁飞入太空，科研人员却在一个方面永不满足：如何更安全、更经济地帮助航天器“挣脱地球母亲的怀抱”？换成专业说法，就是如何降低航天发射任务的综合成本？火箭回收无疑是最直接的手段之一。

从火箭回收运作的现状来看，美国SpaceX公司的猎鹰系列火箭拥有最成熟的技术模式，采用垂直自行返回方案，累计成功回收了100多次，多枚猎鹰9火箭第一级已重复完成了15次发射任务。

不过，这种火箭回收方法也免不了付出代价，那就是火箭第一级有必要预留至少1/3的燃料储备，以便及时进行二次点火减速。也就是说，火箭为了实现重复使用，不得不损失运载能力。此外，为确保火箭第一级以垂直竖立姿势平稳降落，缓冲腿是必不可少的，只有中大型火箭能够“容忍”这种重量、空间代价，无形中限制了适用范围。

于是，美国火箭实验室公司2021年提出了直升机空中抓取回收火箭方案。简单地说，就是让轻巧的电子号火箭子级在降落伞下安稳下降，直升机及时靠近，伸出探钩，吊挂回收。虽然外人感觉这种回收方式既精彩刺激又高效快捷，但“接驾”直升机的反应能力、吊运能力、可靠性都面临着苛刻要求，为保障“约会时机”，实现准确的数据传输控制也有不小的难度。

在某次电子号火箭回收任务中，直升机的缆索装置本已吊挂成功，但空中突如其来的巨大负载险些令直升机失控，迫使直升机遗憾地“放手”。而在另一次回收任务中，由于火箭子级返回大气层时遥测数据丢失，一直待命的直升机无法及时定位，遗憾地错过了“约会”。

此外，各国还测试了多重伞降、反推火箭等回收模式，但都不太适合回收火箭舱段，仍需更多技术探索。至于回收海上溅落的火箭子级，对于材料、时机等要求无疑更加苛刻。

路线五花八门求“通关”

正因为火箭回收成功不易，一旦航天人掌握某种成熟方案，就有望获得丰厚的回报。于是，从航天爱好者到资深科学家，不断提出一系列令人眼花缭乱的火箭回收新方案，多条路线齐头并进，努力找到水平更高、效益更大的“通关秘籍”。

近年来，多国航天人提出了绳网吊挂回收火箭的设想，引发了不小的关注。各国方案的共同点是搭建矩形回收平台，四角由高耸的塔柱稳定，连接起众多缆索，多层布置，每层呈现“井”字形，构成受力复杂的强韧大网。预计火箭子级以近似垂直姿态落入感应区域时，第一层缆索中的多组平行的缆索在感应器帮助下快速移动，精确地对准火箭子级下坠方向，并挂住尾钩之类的部件，进而触发第一层全部缆索受力。随着火箭子级继续减速下落，各层缆索以同样的方式进行吊挂作业，直至火箭子级停止下坠，安全回收。

为确保缆索钩挂火箭子级的可靠性，一些方案增添了特殊材料制成的夹具，可以使火箭相对轻微地侧向受力，减速效果有可能更显著。

显然，这种新颖的回收方式使火箭不必预留大量燃料，还能省掉缓冲腿等部件，有望显著提升运载能力，又能大幅降低火箭保持姿态的控制难度。但是，为了及时“截停”火箭子级，缆索材料与全系统机构在强度和精度上都会面临毫不轻松的考验。另外，火箭子级抛离的精确控制、天气条件等恐怕都会影响其“自投罗网”的成败。

或许是感觉火箭子级下坠中找准落点太难也太麻烦，近年来航天爱好者们提出了一种更加简单粗暴的方案——天坑回收。简单地说，就是利用天然地质构造，或者挖掘出深度数十米、直径超过10公里的大坑，在里面大量填充缓冲材料,可以是生活废弃塑料再加工，或者是各类植物纤维加以改造。

而火箭回收过程也很简单，只要坠落点在天坑的范围内，数十米厚的缓冲材料能够在很大程度上保障任务的安全性。接下来，在附近待命的直升机迅速飞到天坑上方，放下索钩，吊运火箭子级，将其运回车间，投入下一次发射任务的准备工作中。

天坑回收模式听起来有点儿戏，但可以降低火箭子级返回途中付出的物质代价和技术难度，建立另类回收场也没有多少技术上的障碍。问题是，巨大天坑的建造投入必然很大，而露天回收场任凭风吹雨打、烈日暴晒，缓冲材料的状态如何？怎样及时维护保障？恐怕提议者心里也没底。

其实，在众多的火箭回收奇思妙想中，有一个方案虽然仅停留在概念阶段，但在理论上相当完美，那就是自滑翔返回。简单地说，就是给火箭子级装上可折叠的机翼和舵机，及时“变身”保安全。

众所周知，火箭子级的抛离点往往是在数万米的高空，具备巨大的势能。随着火箭子级进行自由落体运动，势能又转化为巨大的动能，促使它不断加速下坠。常规的保护火箭子级的方法是尽量从垂直方向上抵消这种极具破坏力的动能，通过“软硬兼施”的手段减速。而自滑翔返回方案则是“化危为机”，使火箭子级利用动能飞行。

在火箭子级加速坠落的过程中，如果机翼与舵机及时展开运作，在无人驾驶技术加持下，有望使火箭子级从自由落体状态很快改为水平飞行状态，好像从高空俯冲的滑翔机，只不过更追求平稳飞行，不断消耗可怕的动能，最终安全落地。

畅想未来，火箭的外形设计更加优化，材料、工艺和无人智能驾驶技术达到更高的水平，那么火箭子级自主搜寻、定位并飞回发射基地，平稳地降落到跑道上，完成从航天器到航空器的“华丽变身”，绝非痴人说梦。（作者：孙飞）

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