0. 引子
在CZ-10B一子级成功回收后,我发了几篇推文,做了几期YouTube节目谈所谓的“网系回收”。里面多次谈到,从复用效率来讲,“网系回收”要远远低于“筷子回收”,而大致和“支腿回收”相当。
对这个观点总有人提出不同意见。还有人认为:既然在海上回收成功,很快也能在陆地上实现回收。
在我看来,这些人可能根本没有搞清楚什么是大家通常讨论的“海上回收”和“陆地回收”。由于目前,真正投入商业发射的只有SpaceX的Falcon 9火箭。因此,我们通常意义上的“海上回收”和“陆地回收”是以它的一子级的回收来区分的:在海上无人船回收就叫“海上回收”;在发射点附近的陆地着陆场回收,就叫“陆地回收”。但其实,这两个词表述得并不准确。
1.火箭回收一级分类-返场回收和航区回收
如果,我们再结合New Glenn的海上回收船回收方案、朱雀3火箭一子级的陆地回收场回收方案和CZ-10B一子级的海上回收船方案,对比飞行轨迹并仔细分析就不难发现:这几种回收方案其实只有两种回收飞行轨迹。
(1)在一二级分离后,一子级继续沿原来的运动方向向前飞行,并在过程中受到空气阻力和重力的影响,速度越来越慢,高度也在依靠惯性飞行一小段时间后不断降低,最后在受控状态下降落到着陆场上,而不管这个着陆场是位于海上还是陆地上。图2显示的就是Falcon 9火箭一子级这样的回收飞行轨迹。

(2)在一二级分离后,一子级受控进行空中翻转,使自己的运动方向和原来的运动方向完全相反,飞回到发射场附近的着陆场。此后的动作,就和第一种飞行轨迹类似了(见图3)。
因此,在航天领域,更准确点的表述是:“航区回收”和“返场回收”。
3. 火箭回收二级分类-支腿回收,网系回收
如果,我们把这两个概念推广就可以发现:
(1)Falcon 9一子级的海上回收,New Glenn一子级的海上回收,CZ-10B的海上回收,朱雀3一子级的路上回收都属于“航区回收”。而朱雀3一子级的着陆场之所以建立在陆地上,只不过是因为它的发射点位于身处中国大陆腹地的酒泉卫星发射中心附近。在那里,不管向哪个方向飞1000公里都还是陆地。而1000公里已经远超火箭一子级的飞行距离了。而其它机型火箭的发射点都位于海边,郄飞行方向都是向着大洋的深处。
(2)Starship的“筷子夹超重”,本质上讲是“返场回收”。
明白了这两点,我们就可以依据不同的回收轨迹及不同的回收场地,以及不同的回收装置,将现在已经出现的一子级的回收方式划分得更细:
(1)航区回收:①海上无人船支腿回收(Falcon 9、New Glenn);②陆上着陆场支腿回收(朱雀3),③海上无人船网系回收(CZ-10A/B)
(2)返场回收:①陆上着陆场返场回收;②陆上发射场返场回收。
4. 火箭回收技术分析对比,还会有其他回收方式吗
未来,如果技术进一步进步,可能还会出现其它的回收方式,比如:海上发射场返场回收等等。
现在,最重要的问题来了:由于一子级在返场回收的模式下需要在分离后依靠自身的推进系统和控制系统在空中翻转,将飞行方向完全反向,因此需要消耗大量的推进剂(会造成运载能力下降),同时飞行控制的难度也大幅增加。飞控的难点是关键,也是我认为“航区海上回收”的成功并不代表很快就能实现“返场陆地”的原因。
不过,SpaceX在现实中的表现确实显得反直觉:猎鹰9火箭第一次成功的一子级回收是在陆地着陆场实现的,时间是2015年12月21日,而第一次成功的海上回收发生在2016年4月8日,前后差了3个多月的时间。
其实,造成这一结果的原因是:SpaceX此前已经进行了4次失败的海上回收试验。在这些试验的后期,一子级已经能准确的降落到回收船上,只不过因为支腿的原因才导致的着陆失败。而对猎鹰9的一子级而言,不管是海上回收还是陆地回收的支腿问题都必须解决。但SpaceX在这些失败中,已经获得了大量有关飞行的数据,这是其中的关键。而工程上的问题,在这种情况下还是相对容易解决的。
图4,就是几种回收方式的简单比较。从中不难看出:“返回收”对飞控要求更高,而“航区无人船支腿船回收”,工程约束和任务约束更高,“航区陆地回收”、“航区无人船网系船回收”对飞控和工程的要求都相对较低。
最后,图1是一子级不回收的任务剖面,大家可以参考一下。