回收？還是不回收？這是個問題

科技 01-07

作者說

SpaceX的各種進展都會引起航天從業者和愛好者的關注，星仔作為其中一員也不例外。這兩年我們已經習慣了看到帶著柵格舵和著陸腿的獵鷹9火箭，然而12月23日執行GPS III SV01任務（載荷為首顆第三代GPS衛星GPS III A-1）的獵鷹9 Block5（B1054.1）竟然沒有柵格舵和著陸腿，這一簡陋的構型真的已經多年未見了，感覺……好像獵鷹9出門少穿了幾件衣服……。這種配置自然也就意味著這一發獵鷹9沒有進行回收。

本文原載公眾號「北京星際榮耀空間科技有限公司」，作者陳亮，轉載已獲授權。

GPS III SV01

任務（作者

Geoff Barrett

）

光桿的

B1054.1

和完整版的

Block5

版本

B1054.1自一露面就引起很多討論：這樣一發設計可以重複使用十次以上的Block5火箭，竟然一次性使用，有無搞錯？馬斯克受了CRS-16回收失敗的刺激破罐子破摔了？還是美國空軍財大氣粗就是這麼任性？

本期星仔就和大家一起探討此次不回收的原因以及SpaceX發射任務中是否開展回收/採用何種回收方式的原則。

真的是受到CRS-16回收失利的影響嗎？

很自然的，有些人可能會懷疑取消回收是受到本月5日的CRS-16陸上回收失敗的影響。

CRS-16本來是一次平淡無奇的發射，唯一特別的是這是獵鷹9 Block5首次執行對國際空間站的貨運補給任務。

熟悉

SpaceX

的人會期待看到上面的場景

順便嘆一句「嘖嘖，老司機，穩」

成功回收已經是近兩年

SpaceX

的日常

在CRS-16發射之前，獵鷹9芯一級（包含重型獵鷹三枚通用芯級回收）在37次（不含傘回收）回收嘗試中成功降落31次，成功率84%，其中17次已經飛行了第二次任務，其中包括2次獵鷹重型助推器。海上回收25次，失敗6次，陸地回收12次，全部成功。

CRS-16之前SpaceX回收情況統計（來源Wikipedia）

2018

年

SpaceX

在

CRS-16

任務之前發射

情況統計

而現實卻出乎絕大多數人的意料，執行CRS-16任務的全新的B1050.1因為柵格舵伺服系統故障回收失敗。此次回收是SpaceX陸地回收首次遭遇失敗。

然而

CRS-16

任務的結局卻是這樣

……

B1050.1

：我覺得我還可以搶救一下

mmmmmm

……

（左為直播後發布會上神色凝重的

SpaceX

副總裁

Hans Koenigsmann

）

失敗總是很糟心，SpaceX甚至在直播中掐了一子級的信號。但是，一子級回收並不影響載荷，CRS-16貨運飛船也成功入軌。從時間上看，GPS III SV01任務早就確定了，不可能臨時修改箭體結構。

那還會是什麼原因呢？

從火箭性能方面看，是否能回收，一看火箭本身是否採用回收設計或者是否具有回收價值，二看運載能力是否滿足回收要求。

獵鷹9從1.2版本以來，都可以回收，執行這次任務的B1054.1屬於最新的Block5當然沒有問題。1.2版本只能復用一次，多數情況下第二次發射就不回收了，是拉回來不能用還佔地方，不如直接扔海里變珊瑚礁，而B1054.1作為可以重複使用十次以上的最新版本也不存在沒有回收價值的問題。

那就是回收狀態的運載能力不足？那我們就一起來看看回收對獵鷹9運載能力有多大影響：

問題1：這些年SpaceX都發射了些什麼到什麼軌道？

獵鷹9的典型任務包括向國際空間站運送貨物，發射通信衛星和地球觀測衛星到地球同步轉移軌道（GTO）和低地球軌道（LEO），包括部分極軌道（PO），以及少量高軌道載荷。高軌道任務包括發射外太空氣候觀測站（DSCOVR）到太陽拉格朗日 L1點，向月球飛行軌道上發射的凌日系外行星勘測衛星（TESS），以及獵鷹重型試飛發射特斯拉到火星軌道以外的日心軌道。

問題2： SpaceX從哪兒發射？到哪兒回收？回收方式是怎樣的？

談回收之前，我們先來看看SpaceX的發射與回收設施。

SpaceX目前在東海岸的卡納維拉爾角、肯尼迪航天中心和西海岸的范登堡空軍基地運營三個發射場。范登堡發射場可以實現高軌道傾角的軌道（66-145°），包括極軌道（PO）和太陽同步軌道（SSO），而卡納維拉爾角可以實現中等軌道傾角的軌道，最高可達51.6°，主要有LEO（近地軌道）和GTO（地球同步轉移軌道）。卡納維拉爾角的LC-13現已改名為LZ-1，2017年旁邊增建了LZ-2用於回收獵鷹重型火箭的第二個助推器。

卡納維拉爾角和肯尼迪中心的發射場和回收場

（沿海岸線依次為

SLC-40

、

LC-39A

、

LZ-2

、

LZ-1

）

LZ-1

和

LZ-2

，重型獵鷹兩個助推器穩穩落地就是在這兒

東部的范登堡空軍基地的SLC-4E射向向南，用於發射極軌道（PO）和SSO，但不能發射到低傾角軌道。發射後著陸將在鄰近的SLC-4W進行（改建為LZ-4）。

SLC-4E

發射場

和

LZ-4

回收場（引自網友

Raul

的

General SpaceX Map

）

除了三個陸地回收場，SpaceX還有引以為傲的海上回收平台（ASDS），分別為「當然，我依然愛你」、「請看說明書」以及在建的「莊嚴的短缺」。如果GPS III SV01任務需要海上回收，現役的回收船可以保障海上著陸（上次東海岸海上回收是在11月15日）。

海上回收平台

問題3：回收會對運載能力造成多大的影響？

先來看看獵鷹9一次性不回收任務都有哪些。

獵鷹9不回收狀態發射的最大載荷10 顆銥星NEXT衛星，重量為9600kg（777km極軌道）。GTO軌道最大載荷為通訊衛星Intelsat 35e，重量6761kg。軌道高度最高當屬DSCOVR的HEO（L1）軌道了。早期1.0、1.1版本不能回收，1.2版本只能復用一次，在第二次發射後多數不回收，這是受到火箭可重複使用性能的限制；部分高軌道發射任務也不回收，這就是運載能力的限制了。

陸地回收則幾乎都用於LEO軌道發射，其中貨運飛船最多（比如這次的CRS-16）。陸地回收狀態下發射過的最大載荷為X-37B OTV-5，重量為4990kg（LEO）。

海上回收發射的最大載荷為10 顆銥星NEXT衛星（與一次性使用的最大載荷相同），重量為9600k（PO），GTO最大載荷為通訊衛星Telstar 19V，7075kg（目前為止獵鷹9所有GTO發射中最大的載荷）。

SpaceX

海上回收點分布

（藍色為獵鷹

一子級回收點，引自網友

Raul

的

General SpaceX Map

）

對比這些統計數字，我們不難看出，對於現有的GTO、PO、LEO任務，獵鷹9海上回收的運載能力和一次性使用已經沒有明顯區別，其中PO軌道的載荷已經接近現有過渡支架承載能力的上限。而陸地回收對運載能力有明顯限制，沒有超過5t，且基本上都是LEO軌道。

問題4：回收為什麼會對運載能力造成影響？

根據回收過程點火次數不同，獵鷹9的一級回收彈道有兩次點火和三次點火的區別。兩次點火時是在再入大氣層前減速點火和著陸段的制動點火，著陸點在發射彈道的航跡線下（其著陸點主要由分離位置速度決定），主要採用海上駁船回收方式回收。海上回收點距離發射點距離約為600-700km，主要用於發射GTO載荷。其典型飛行時序剖面如下：

航線下海上駁船回收飛行時序剖面圖

（遠陸地海上著陸）

對於三次點火回收方式，比兩次點火多一次機動點火（反推點火或叫著陸點修正點火），這次點火的目的是調整回收著陸點，通過這次機動，可將著陸點選擇為發射場，也可以選擇為其他（可達範圍內）指定著陸點。海上回收點距離發射點距離為200-400km，主要用於發射PO載荷（如銥星NEXT），路上回收點一般用於回收LEO軌道的龍飛船。其典型的飛行時序剖面如下：

子級在駁船上回收飛行剖面示意圖

（近陸地海上著陸）

子級返回原場回收飛行剖面示意圖

正如圖中所示，陸地回收需要三次點火，消耗推進劑量比較大，自然是對運載能力的影響最大，而對於海上回收，不需要一子級轉向往回飛，推進劑消耗量自然大減，尤其是遠陸點海上回收，僅需要兩次點火。從實際結果來看，重複使用對GTO、LEO載荷的運載能力的影響比較小，以至於NASA在對比各家火箭運載能力時直接選用了獵鷹9重複使用條件下的運載能力。

說了這麼多，對於這次任務，如果獵鷹9進行回收，運載能力到底夠不夠？

首先需要注意的是，這次任務的MEO軌道SpaceX之前並沒有發射過。

GPS III A-01衛星重量為4400kg，軌道為20181km×20181km，軌道傾角55°。按照此次任務的時序，火箭二級經過接近一小時的滑行二次關機，高度為1220km，之後是近47分鐘的無動力滑行直至星箭分離。火箭將衛星送入一個近地點不大於1220km，遠地點約為20000km的橢圓軌道。而獵鷹9在11月15日的發射將5300kg的Es"hail-2衛星送入了200km×37700km的橢圓軌道上，之後B1047.2第二次成功海上著陸。海上回收條件下發射的GTO軌道最大載荷Telestar 19V的重量更是高達7060kg。

根據星仔彈道專業的同事的計算

，雖然這次發射的近地點高於GTO軌道，

軌道傾角由GTO的接近0°變成了55°，但獵鷹9海上回收狀態下運載能力其實能夠滿足發射入軌的需要。

GPS III SV01任務時序

Telestar 19V

任務時序

那還有什麼其他因素影響嗎？

從此次任務的時序上看，B1054.1一級工作164s，二級工作326s（第一次點火）+46s（第二次點火），兩次工作過程中有一個1h的滑行段，用於進入1000km以上的入軌高度。而海上回收的Telestar 19V任務中火箭一級工作150s，二級工作338s（第一次點火）+50s（第二次點火）。對比可以看出，如果一子級回收，則需要多消耗近10%的推進劑，二級需要工作更長時間，

B1054.1一子級竭盡全力的工作一定程度上降低了二子級的壓力，為這次重要的發射任務提供了很大餘量。

留出這些餘量的一個重要目的是為了滿足此次發射的用戶——美國空軍的特殊要求。美國空軍要求獵鷹9的二級有足夠的推進劑用於離軌以再入大氣層銷毀——為了避免產生太空垃圾。

此次任務美國空軍方面的主管表示獵鷹9「沒有足夠的性能同時滿足我們的要求和回收——雖然他們在（回收）這件事上做的很成功」。這也就解釋了此次任務中二級發動機工作時間更短的現象——

為了給二級保留更多的推進劑實現離軌，而經過同事的專業計算，這次留給火箭二級離軌的餘量也是非常的足夠……

美國空軍在重要載荷的發射上一貫

慎之又慎

，「只要有一絲風險或變化，都要最大限度地避免」。比如，就在這次任務中，為了增加發射的「彈性」，作為第三代GPS的首星，GPS III A01相比當初的設計增加了半噸多的推進劑……

火箭二級非常「足夠」的推進劑餘量更是給發射上了雙保險

。所以，也很難說SpaceX這次選擇不回收是因為運力不足還是為了「保成功」，真相大概只有美國空軍和SpaceX知道了。

唯一可以肯定的是，美國空軍肯定給了足夠的錢讓SpaceX把號稱可以重複使用十次乃至百次的獵鷹9 Block5送入大西洋海底。

（作者：陳亮，全文完）