垂直起降火箭是能夠垂直起飛、垂直降落的火箭。通過垂直降落可以達到回收一級火箭並重複利用的目的。Space X公司的“獵鷹”9號火箭是現今世界上最具代表性的垂直起降火箭。
基本介紹
- 中文名：垂直起降火箭
- 外文名：VTVL Rocket
套用背景,分類,發展歷史,
套用背景
以較低成本進入太空是人類長久以來的夢想。但是目前，作為人類進入空間主要工具的運載火箭均為一次性使用，成本相對高昂。探索和攻關相應的技術，不斷降低運載火箭研發、生產和使用成本成為一項重要的工作。實現運載火箭子級的重複使用，是可行的技術途徑之一。垂直返回回收技術是實現火箭子級無損回收的一種技術途徑，早在 20世紀90年代麥道公司就提出了基於垂直返回回收方案的“德爾它快帆”飛行器。最近Space X公司又對垂直返回回收技術開展研究，並多次通過獵鷹火箭（Falcon 9）開展飛行校驗，截至 2015年 4月共進行了6次一子級回收試驗 。根據其預先設定的試驗目標，這6次試驗有3次成功，3次失敗。
運載火箭垂直返回彈道設計與傳統的上升段彈道設計或者再入彈道設計不同。上升段彈道設計主要需要在考慮滿足約束條件的同時儘可能有效提高有效載荷質量，降低發射成本；傳統的再入彈道設計則主要依靠稠密大氣層內的氣動減速，把能量耗散掉的同時，滿足約束條件並保證飛行器降落到預定區域。火箭子級垂直返回彈道需要綜合考慮上升段彈道以及返回段彈道設計。在滿足二者約束的同時儘可能使有效載荷入軌質量最大。此外，由於火箭子級垂直返回的速度遠小於再入速度，需要在滿足各種約束條件的同時，綜合利用發動機制動減速及氣動減速，並保證落點精度。
分類
具體而言，火箭子級垂直返回回收包括兩種方式，一種是“返回原場”（Return to the lunch site, RTLS）回 收方式，另一種是 “不返回原場”（Not return to the lunch site,NRTLS）回收方式。
“返回原場”回收方式指火箭子級分離後，依靠火箭發動機對其進行減速轉彎，最終在原發射場垂直著陸，實現子級無損回收。返回原場方式會使運載火箭的運載能力下降50%左右。
“不返回原場”回收方式指火箭子級分離後，沿慣性彈道進行飛行，在達到一定高度後，開啟火箭主發動機進行減速，最終實現子級定點垂直著陸，“不返回原場”方式不對回收場位置進行嚴格限制，火箭子級在回收飛行段全程都按零攻角飛行。返回原場方式會使運載火箭的運載能力下降15%左右。
相較傘降回收而言，採用垂直返回技術的回收方式技術難度和工程化實現難度大，但是作為一種重要的技術途徑，垂直返回的回收技術在太空飛行器重複使用以及行星際著陸等領域具有獨特優勢，在工程套用能力方面具備一定的可行性 。
發展歷史
20 世紀 90 年代，麥·道公司提出了“德爾它快帆”（DC-X/XA）方案。當時，該方案成功中標美國1990 年 8 月提出的“單級入軌火箭技術計畫”，該方案採用垂直起降方式實現回收和重複使用，後來由於單級入軌計畫的終止，“德爾塔快帆”項目隨之終止。在麥·道公司所進行的 12 次 DC-X/XA 飛行試驗中，實現了最大飛行高度 3 155m，驗證了單級火箭系統垂直起降、快速飛回和簡化地面保障技術。“德爾它快帆”為未來可重複使用運載器的研製提供了豐富的技術、設計、製造和操作經驗。DC-X/XA 12 次飛行試驗對運載火箭垂直著陸技術進行了充分驗證。
1993年，"德爾它快帆"試驗火箭（DC-X），從新墨西哥州軍用白沙飛彈發射場點火起飛，向上飛至150米，然後像一架直升機一樣，減速懸在空中。火箭開始尾部朝下著陸的時候，也採用了裝有盤狀腳的伸縮腿，它利用4個小發動機所噴發出來的火焰減速以達到平穩著陸的目的。
在 K-1 火箭之後，美國的 SpaceX 公司也開展了“獵鷹”火箭的可重複使用技術研究。2011 年 9 月，SpaceX 公司對外宣布了“獵鷹-9”火箭的可重複使用版（獵鷹-9R），完全可重複使用“獵鷹-9”火箭包括重複使用的一級、二級，第一級由亞軌道垂直返回發射場，第二級在軌道分離後，也是垂直返回發射場，兩級都是垂直下落，最後靠 4 個支架支撐著陸。支架在飛行期間可被摺疊起來，在回收過程中，支架展開，支持回收部件安全垂直降落。
為了研發完全可重複使用“獵鷹-9”火箭，SpaceX公司實施了“蚱蜢”計畫驗證垂直返回技術，並結合火箭發射任務，開展了一子級陸上和海上軟著陸試驗。各項試驗取得重要進展，驗證了垂直返回技術的可行性。
台北時間2015年12月22日，Space X公司的"獵鷹"9號發生成功，並在10分鐘後完成了一級火箭的陸地回收。
2016年1月18日,美國太空探索技術公司（Space X）用"獵鷹-9"運載火箭成功將一顆海洋觀測衛星送入軌道,但在隨後的第一級火箭海上回收試驗中,沒能延續近1個月前陸地回收試驗成功的好運,以失敗告終。
2016年4月16日，"獵鷹-9"運載火箭完成國際空間站補給任務後，在發射場地以東300千米的專用海上回收平台上平穩著陸。
2024年1月19日16時00分，藍箭航天空間科技股份有限公司自主研發的朱雀三號VTVL-1可重複使用垂直起降回收驗證火箭（以下簡稱“VTVL-1試驗箭”）在我國酒泉衛星發射中心點火升空。本次試驗的飛行時間約60s，飛行高度約350m，著陸位置精度2.4m，著陸速度0.75m/s，著陸姿態角約0.14°，滾動角約4.4°，火箭著陸平穩，落點準確，狀態良好，試驗任務取得圓滿成功。
