摘 要 将运载火箭回收技术分为气动减速和反推减速两大类，介绍了降落伞回收、有翼飞行器着陆回收、燃料反推垂直着陆回收等回收技术，并分析了各种回收技术的优点和缺点。其中特别对使用效果良好的垂直着陆回收技术进行弹道和着陆姿态分析，并提出技术改进建议以及对中国运载火箭使用垂直着陆回收技术的建议，以期给垂直着陆回收技术的发展提供方向。
关键词 运载火箭；回收技术；垂直着陆；可重复使用
中图分类号 V1 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）231-0140-03
自1957年苏联使用改装后的P-7洲际导弹发射第一颗人造卫星以来，运载火箭已经成为人类探索宇宙的主要工具。运载火箭技术要求高，但迄今为止几乎所有的运载火箭均只能使用一次，这导致其价格极为高昂。以欧洲的阿丽亚-5号运载火箭为例，其近地轨道发射成本达每千克10？000美元。因此，人类要想大规模地开展空间探索，就需要尽可能地降低发射费用。要达到这一目标，有两个途径：一是降低制造技术的成本，这需要突破性的技术发展，在短时间内显然难以实现；二则是对航天器的重复利用以降低发射成本。最早的能重复利用的航天器——航天飞机，虽然实现了轨道器和助推器的重复利用，但是维修成本高昂，事故率高，最终在2011年退役；此后英国、德国、美国相继提出过空天飞机或两级入轨的方案，均没有投入实际运用。但在2015年，美国SpaceX公司成功对其火箭“猎鹰9号”的一级进行了回收，由此，人们将火箭回收的研究重点逐渐转向对单个子级的回收。这种回收方式基于当下成熟的火箭技术开发，因而较空天飞机等构想更为可靠与实用。此外，伞降回收也是比较常用的部件回收方法。
本文通过对运载火箭回收技术进行分类分析，梳理了不同的回收方式，分析了现阶段可行的运载火箭回收技术发展方向，希望给火箭回收技术的发展提供参考。
1 运载火箭回收技术分类
运载火箭回收的最大难点就在于要让箭体在不过多影响全箭飞行参数的情况下，从与上面级分离位置起，经过一系列的操作进行减速、调姿，最后稳定地着陆在指定位置。要使箭体返回地面，需要通过降低飞行速度改变弹道。着陆时应保证速度足够小，落点足够准确。显然，要想降低飞行速度，方法有两种：一种是通过利用空气阻力或升力减速，即气动减速；另外一种是通过燃烧燃料减速，即反推减速。在载人航天工程返回舱着陆时，一般采用两种模式结合的方法，运载火箭回收技术也可以借鉴。
1.1 气动减速回收运载火箭
气动回收主要有降落伞回收、有翼飞行器滑行着陆两种方式，下面均以现有航天器部件为例进行说明。
降落伞回收方式主要用于对返回精度要求不高且着陆场较大的工况。以航天飞机助推器（SRB）为例[1]，试验开始后，SRB在122s与主箭体分离，在197s达到飞行最大高度67km，此后经自由飞行、开减速伞、开主伞等一系列流程，最终溅落在距离发射场220km的海面上，并由专门的打捞船进行回收。SRB的溅落速度约为23m/s，高于航天器稳定着陆的速度（载人航天器6-10m/s，无人航天器10-14m/s），会对运载火箭本身造成结构损伤。因此，要想提高运载火箭重复利用的次数，應该将火箭溅落或着陆速度降得更低。着陆速度受结构质量和降落伞面积决定，SRB的降落伞主伞共有3个，每个直径45m，质量已超一吨，显然降落伞难以继续增大。因此，要想利用降落伞回收重型火箭的第一级或助推器，存在技术难度。
有翼飞行器滑行着陆主要适用于航天飞机的轨道器、空天飞机等飞行器。俄罗斯赫鲁尼切夫空间中心设计的“贝加尔”助推器采用可旋转翼面，使翼面在助推器分离后展开，并运用航空发动机推进着陆。相比于航天飞机，在运载火箭助推器上安装翼面会导致其运载能力损失极为严重，为了控制最终落点而安装航空发动机会导致其结构复杂，因而使用价值很低。此外，美国Rotary公司的Roton飞船采用由直升机改装而来的旋翼推进器着陆，最终也没有投入使用[2]。
由此可见，气动减速回收技术虽然技术难度小，种类多，应用也较为广泛，但是受到其本身技术原理的限制，减速效果不能满足陆地或海上平台回收的速度要求，无控制着陆落点精确度低，因而不能作为未来大规模探索宇宙时化学燃料火箭回收的主要方式。
1.2 反推减速回收运载火箭
反推减速主要是在火箭一二级分离后，一级通过燃烧剩余的燃料调整姿态和轨道，并控制箭体着陆在指定位置的过程。一般的运载火箭都采用垂直着陆的方式，以减少着陆时对火箭气动结构的磨损。反推减速目前已经得到广泛应用并且已经多次成功。以美国太空探索技术公司（SpaceX）为首的多家公司已经完成了可回收火箭的测试甚至已经投入使用。反推减速需要让火箭通过自身推进系统改变飞行方向，回到发射场附近，对火箭推进系统和控制系统提出了较高的要求。
2 垂直着陆回收运载火箭技术的简单分析
2.1 飞行弹道分析
垂直着陆回收运载火箭时，根据点火方向和姿态调整方向的不同，弹道主要分为两种：第一种是调整箭体使其弹道倾角增大，从更高的高度返回地面；第二种是调整箭体使其向下运动，从发射轨迹下方返回地面。如果对运载火箭的飞行过程作出以下简化：
1）忽略地球曲率；
2）把箭体的飞行过程简化成在二维平面内的运动，即高度-位移二维。
则对于飞行过程中的任意一点，以发射场所在位置为原点，建立高度-水平位移坐标系分析箭体运动，其受力分析如图1所示。
2.2 着陆状态分析