近年来，随着“猎鹰9”这种垂直起降部分复用运载火箭的可靠性和经济型逐步得到业界认可，其设计思路也逐步影响了世界各国火箭研发路线，多国相继开始了回收火箭的“真香”之旅。目前除“猎鹰9”所属的美国之外，中、俄、欧、日等都已开始在垂直起降可回收火箭上相继发力，立项或规划了多种技术验证机和火箭型号。本文从技术角度对可回收航天器技术及国产可回收火箭技术发展进行一番介绍。
火箭发动机回收技术的重要意义
火箭是世界各国进行太空活动的主要运载工具，且大多数的火箭发动机都是一次性的。研究表明，发送质量1千克的物质上天，成本高达1~2 万美元。如此高昂的成本，极大限制了各国发展航天工程的进程。可回收和重复使用的火箭发动机，一方面可以节约航天探索开发成本和缩短项目的研制周期，另一方面也是应对能源危机和建设可持续发展生态环境的要求。目前我们所说的可回收航天器技术，主要指的就是火箭发动机的回收。
2016年，美国SpaceX公司“猎鹰9”运载火箭实现了世界上首次在海上平台对一级火箭发动机的垂直回收。我国对火箭回收和重复使用技术的研究起步较晚，与国外的先进水平比较，尤其是与美国相比，还存在较大的差距。无论是从国家安全战略出发建设航天强国，还是在商业航天领域抢占国际市场，我国都应重点发展火箭发动机的回收和重复使用技术。火箭的回收和重复使用是一项多学科的复杂性系统工程，有诸多的难点需要攻破，如姿态控制、推力调节及耐高温材料研制等。本文旨在基于对国外先进的火箭发动机回收和重复使用关键技术进行研究，提出运载火箭发动机回收与重复使用的技术设想，为我国明确未来火箭发动机关键技术突破的发力点和制定技术发展路线提供战略指导。
中国可回收火箭的先锋——长征八号
火箭发动机回收关键技术
传统构型运载火箭的回收关键技术，可分为三种：伞降回收式、垂直返回式和滑翔返回式。
(1) 伞降回收式。
伞降回收的基本原理是利用多级降落伞系统进行逐级气动减速，最终以缓冲气囊实现安全回收。伞降回收式的关键技术表现在大型群伞和气囊的设计上。大型群伞的设计关键在于多伞充气同步性的控制技术；缓冲气囊的设计关键在于降落缓冲过程中排气速度的控制技术。要实现运载火箭的安全定点回收，仅依赖多级群伞的缓冲作用是不够的，还需要设计精准的姿态控制系统。伞降回收式技术虽然着陆精度较差，但是技术相对成熟，可靠性较高。
(2) 垂直返回式。
垂直返回式又称为动力反推垂直着陆技术，其在低空段主要采用发动机推力主动反推实现减速，最后垂直降落。“猎鹰9”运载火箭的回收方式就是垂直返回式。该方案主要有以下关键技术：一是泵压式发动机大范围推力调节技术；二是返回过程高精度控制技术，满足返回过程姿态控制、返回着陆点位置控制和垂直姿态控制等要求；三是着陆支撑机构技术，要求支撑架具有较强的抗冲击性能，同时具备热防护能力等。垂直式回收技术可实现定点安全回收，但系统复杂，技术难度大，仍有诸多关键技术待攻关。
（3）滑翔返回式。
滑翔返回式分为带动力式和无动力式两种。无动力式方案对火箭主体结构采用带翼片设计，火箭依靠调节翼片所产生的气动力大小和方向改变滑翔方向，实现水平降落。带动力式方案对火箭主体安装涡喷发动机，同时采用带翼片设计，在降落过程中启动涡喷发动机，实现进行巡航机动飞行，可对回收降落地点进行主动控制。滑翔返回式的技术难度相对较低，但对着陆场地跑道有一定要求，回收落点的精度较差，且由于缺乏缓冲着陆装置，箭体的结构完整性保障程度低。俄制“安加拉”系列火箭曾计划采用滑翔返回式方法回收。
火箭发动机重复使用关键技术
火箭发动机的工作环境较为恶劣，实现重复使用，首先要明确火箭发动机中一次性使用组件和可多次重复使用组件。对一次性使用组件，主要考虑基于现有技术对其进行优化设计；对可多次重复使用组件，则需要针对关键核心技术开展深入的基础研究，逐项突破。
（1）高温组件寿命评估及延寿技术。
火箭发动机的高温组件包括推力室、燃气发生器、涡轮等，在温度极高的热循环条件下，高温组件的结构内部出现较严重的温度分布不均匀和温度骤变现象，热载荷的循环加载、卸载，会导致高温组件结构发生热疲劳失效。目前，主要采用再生冷却、液膜冷却等技术对高温组件进行冷却，寿命可达30次以上。
（2）运动组件摩擦磨损技术。
火箭发动机的运动组件主要包括涡轮泵的密封环、轴承等。运动组件在高压高速低润滑的工作环境下，容易发生结构磨损失效。目前提高涡轮泵密封和轴承使用寿命的技术方案主要是在运动组件端面喷涂陶瓷涂层，提高耐磨特性。
（3）结构动态载荷控制与评估技术。
推力室、涡轮泵、燃气发生器等组件都是动态载荷的源头，包括振动、冲击等。建立火箭发动机虚拟测试样机，借助计算机仿真手段，掌握发动机整机结构动特性，根据路径载荷特征对动态载荷响应较大的组件采取有效的减振、吸振、隔振等控制措施。
（4）健康监控与故障诊断技术。
健康监测与故障诊断是指在火箭发动机工作进行的时候，对压力、转速、温度、动态载荷等数据进行实时监测，实时判定工作状态是否正常，及时采取减速、停机等措施，提高发射任务的安全性。健康监控与故障诊断技术主要依赖多种高可靠性的传感器以及针对多故障模式制定的控制策略。
国外可回收火箭技术简介
俄罗斯
在对待复用火箭的公开态度上，“画风”转变最大的要数俄罗斯。从“猎鹰9”开始蚕食俄质子号火箭市场开始，俄官方就一直在质疑其复用设计。俄航天集团负责人曾公开撰文称太空探索技术公司利用高溢价的国防和美国宇航局发射订单变相补贴其商业任务，以此达到恶性压价抢夺市场的目的，低廉报价并非是回收和复用火箭的功劳。同时还称俄方会采用代号“贝加尔”的有翼回收助推器方案达成真正的回收降本。“贝加尔”源自苏联时期能源火箭的可回收助推器方案，助推器配置有机翼、喷气发动机、进气道、起落架，采用垂直起飞水平滑行着陆的思路，但一直停留在设想阶段。
然而就在不久前，俄罗斯航天国家集团公司正式发布了其新一代商业化甲烷可回收运载火箭，该火箭名为“阿穆尔”（Amur）。火箭设计方案一改以往苏联遗产堆砌风，采用低成本商业化可回收火箭思路，并且结合俄本土特色规划了一套回收体系。
“阿穆尔”全箭采用液氧甲烷（天然气）推进剂，两级设计，一级采用垂直起飞反推回收的思路，装有5台RD-169A发动机，海平面推力100吨左右。火箭二级为一次性使用，采用与一级同型发动机的真空版RD-169V，但仅安装一台，真空推力110吨左右。
阿穆尔火箭高55米，起飞质量360吨，直径4.1米，整流罩直径5.1米，一级安装有回收用的可收放支腿和栅格舵。近地轨道的可回收运力10.5吨，同时具备一次性发射能力，运力12.5吨，高于目前联盟2 火箭的8.5吨运力。
俄方称火箭贮箱将采用共底设计；在可靠性设计上，在大幅降低火箭零件数的同时，一级发动机还将具备推力冗余设计，在其中一台发动机发生故障关机的情况下，其余发动机可以增大推力并延长燃烧时间，以确保任务成功。除此之外，“阿穆尔”还预留了后续运力增强的设计空间，可配备“弗雷盖特”系列上面级来支撑高轨发射任务。火箭一级初期设计重复使用10次，成熟后结合回收及复用，每年将具备15次发射的能力。
火箭回收方式与目前已经成熟的猎鹰9 火箭的海上回收方案类似，一级分离后不会掉头飞回发射场，而是沿既定弹道方向回收。得益于俄罗斯地广人稀幅员辽阔的特点，火箭即使不掉头飞回发射场仍可在陆地着陆。目前暂定在俄哈巴罗夫斯克地区靠近鄂霍次克海的南部海岸着陆。发射和回收过程中，“阿穆尔”一级的五台发动机在上升段全部点火工作。一级关机分离后，下降过程为减小箭体热流峰值，中央发动机会再次点火进行反推减速，下降段全程采用栅格舵调整火箭姿态和方向，直到着陆前中央发动机再次点火进行着陆反推。火箭着陆后会自动进行推进剂泄放，然后用专用设备收起腿和栅格舵，放倒后装入专用集装箱运回翻修场所。运输方案可选择传统的铁路运输返回，俄方还提出了使用米-26 重型直升机调运的新方案。
俄方表示，火箭翻修将大量应用无损检测手段，减少拆解和检修工作量。发射设施也会高度简化，采用全自动无人值守发射系统。为吸引游客还建有发射观礼平台，总装厂房增设独立参观通道。
目前俄方预估初步设计将花费4亿卢布，而从研发到火箭首飞将耗资700亿卢布。为从商业化角度出发并尽早收回投资，俄方表示阿穆尔火箭将积极竞标俄罗斯自建的“球”（Sphere）星座的发射合同，而且该火箭还将考虑作为俄下一代重型火箭的助推器。该方案类似“天顶”火箭，其一级曾作为“能源”系列重型运载火箭的助推器。俄方称回收且无上面级版本的发射成本低至2200万美元，一次性无上面级版本约为3000万美元，配备上面级后将提高至3500万美元左右。
欧洲
欧洲正在研发的下一代主力运载火箭是阿里安6，这是标准的一次性运载火箭。其全面研发开始于2016年左右，当时“猎鹰9”的回收复用只不过初露端倪，所以“阿里安6”设计上意图通过简化贮箱和发动机设计，提高增材制造比例，采用通用固体助推器等方式降低火箭成本，意图重夺国际商业航天发射市场订单。因此，阿里安6火箭在性能上相对于前一代“阿里安5”反而有所倒退。但“阿里安6”自身研发成本不菲，未来发射成本和报价下降的空间相对有限；即使如期首飞可能也难以正面与复用的“猎鹰9”相竞争。
因此，以法国为首的欧洲各国，也开始了复用火箭研发之路。欧洲火箭多采用神话中的神祗命名，因此整个复用技术研发路线图可谓是“众神云集”。航天人常说——“火箭升空，动力先行”，整个路线图中最先启动的是重复使用发动机的研制。
2017 年由法国牵头，欧洲空间局资助8500万欧元，正式开始研发名为“普罗米修斯”的液氧甲烷发动机。该发动机推力百吨左右，为降低发动机成本，泵壳及叶轮将大量采用增材制造技术，设计上选用了简单的燃气发生器循环，成本目标为降至“阿里安6”一级发动机“芬奇2.1”的十分之一，即100万欧元，同时配以流水线化的生产模式，目标年产量可达到100台。欧洲后续可回收火箭项目均以此发动机为核心展开。
除动力系统外，为验证回收过程中的制导／导航与控制技术，法国和德国各自研发验证飞行器，分别试用了不同的制导策略，重点集中在在线轨迹规划技术。之后的2017 年，法国、德国联合日本开始研发名为“克里斯托”的垂直回收验证机，作用类似于太空探索技术公司的“蚱蜢”，为“普罗米修斯”及后续可回收火箭做技术储备。但限于规模和进度，“克里斯托”未能采用“普罗米修斯”发动机，而是将采用其他较小的变推力发动机做替代。“克里斯托”计划2022年具备验证条件，并开展10次左右的飞行试验，验证包括制导控制技术在内的垂直起降关键技术。
而“普罗米修斯”的正式登场则要等到名为“忒弥斯”的亚轨道垂直回收火箭，类似于太空探索技术公司的F9R，作为未来轨道级火箭一级的设计参考。“忒弥斯”预计采用７台“普罗米修斯”发动机，计划于2023-2025年之间开展验证飞行。“忒弥斯”成熟之后将为名为“阿里安 7”（又称Ariane Next）真正可垂直起降部分回收运载火箭提供设计支撑，因此“阿里安7”按规划要在2025－2030 年间方可首飞。欧洲的方案可谓是循序渐进，步步为营，路线清晰可行，但进度和经费受自家“阿里安6”的挤占，目前的“阿里安7”的设计尚未明朗，即使能如期首飞，到时业界情况也难以预料。
日本
日本的运载火箭发展路线与欧洲类似，在造价高昂的H-2系列火箭之后，规划了类似“阿里安6”的低成本一次性运载火箭H-3。但随着可回收火箭风头正劲，加之回收复用体系成熟和成本优势日益显露，日本也打起了可回收火箭的算盘。日本的思路是一贯的双面押宝，自研、合作双管齐下，除前文所述法、德、日三国合研的“克里斯托”计划之外，日本宇宙航空研究开发机构也独立研发了代号RV-X 的验证飞行器。
RV-X 主要用于验证着陆段的制导控制技术，除开展垂直起降飞行试验外还为其后续国际合作积累经验。而最终用于实际轨道发射的回收火箭设计，日本仍在规划研究中。
美国
美国SpaceX公司是目前世界可回收火箭技术的领头羊。猎鹰9号（Falcon 9）火箭是美国SpaceX公司研制的可回收式中型运载火箭。猎鹰9号于2010年6月4日完成首次发射，于2015年12月21日完成首次回收。
2019年11月11日，美国猎鹰9号火箭发射升空，此次发射创下猎鹰9号火箭的载重纪录（15.6吨）。
2020年4月22日美国太空探索技术公司用一枚“猎鹰9”火箭将“星链”计划第7批60颗卫星送入太空，继续搭建全球卫星互联网。当地时间5月27日下午，美国太空技术探索公司（SpaceX）搭载载人版“龙”飞船的“猎鹰9”火箭发射任务因天气原因取消。NASA和SpaceX将会在当地时间30日再次尝试发射。当地时间8月30日，SpaceX公司发射猎鹰9号火箭，该火箭在发射后并没有像大多数佛罗里达州的任务那样向东飞行，而是在升空后向南飞行，绕过佛罗里达州的东南海岸，飞越古巴上空。
2021年9月15日，SpaceX利用龙飞船和猎鹰9号火箭执行了首次纯商业载人太空飞行任务，第一次将四名普通人送入太空。
“猎鹰9号”第一级就比“猎鹰1号”大许多，使用9台老式莫林发动机改进型，只不过第二级比第一级稍短。它们的顶端和外层采用航天常用的超强度铝锂合金材料制造。并在后盖上面盖了特制的挡热板，用以保护“猎鹰9号”第一级和第二级在重再入地球大气层时免遭损坏，这样便可以回收再利用。
在马斯克的构想中，不论是NASA或是民营公司都不应该任由液体燃料火箭成为一次性使用的物品，因此他要求SpaceX公司的工程师们打造浮动的海上火箭降落埠（Autonomous spaceport drone ship, ASDS），并研究液体燃料火箭在发射任务后“如何自动并垂直降落于降落埠”的技术。
这项技术的困难度在于，首先，（Falcon 9）火箭高达14层楼，爬升时的速度达1600米/秒，要让直线上升的火箭“毫发无伤”地垂直下降，犹如“狂风中让橡胶扫帚柄直立於手掌上”。
其次，SpaceX之前曾让完成任务的燃料火箭成功降落在10公里宽的目标区内，但ASDS仅宽10米，两者难度大不同。最后，位于海中的ASDS并没有固定，要降落的燃料火箭必须借助引擎保持下降时的平衡与稳定。
有趣的是，作为太空探索技术公司所在国，美国其他火箭制造商对垂直起降回收思路反倒是应者寥寥，仅有“蓝色起源”一家采用类似思路。而最具实力的联合发射联盟在研的“火神”火箭，因芯一级仅采用两台BE-4发动机，难以进行垂直起降回收，只得另行规划了称为“智能回收”的发动机伞降回收计划。
可回收火箭RLV-T5升空
我国可回收火箭技术的探索
火箭回收技术是近年来举世瞩目的“航天黑科技”，我国也针对火箭可重复使用技术展开了探索和研究，这一重任就落在了首飞的新一代长征运载火箭家族的成员——长征八号运载火箭身上。
长八火箭在飞行中对液体火箭发动机进行节流控制。形象地比喻说，火箭发动机的推力节流技术就像给汽车换挡一样，在点火起飞时开足全力冲上去，在飞行过程中调节发动机的推进剂流量，以此来达到调整推力、控制速度等目的。据介绍，推进剂节流技术可以对火箭进行牵制释放，不想让它走的时候能拽得住，想让它走的时候放得开，这样才能在火箭返回时“收住油门”。
长八火箭总指挥肖耘表示，火箭回收虽然在短期内不会对GDP 产生巨大影响，但可重复使用技术是全世界运载行业探索的新方向，“我们作为火箭研制总体单位，需要对新技术进行尝试。”研制团队第一次验证这项技术，做了大量的地面试验。“推力调节技术是火箭可重复使用的关键技术，必须掌握。”肖耘对这一技术志在必得，在他看来，研究过程中的攻关积累，一定会有助于其他高难度的技术突破，“长征八号研制团队，有能力也有义务做火箭可重复使用的尝试和研究”。
此前几年，研制团队围绕火箭一级回收开展技术尝试，以垂直起飞和垂直降落为目标，按步进行火箭回收试验，目前，着陆缓冲机构、低空低速的返回段制导、自主控制等回收技术均处于紧张的试验阶段，预计在2021 年左右完成可回收关键技术的进一步攻关。
有了这项技术后，还可以在点火起飞时让发动机先工作很短的时间，在正式起飞前对发动机进行全覆盖测试，一旦发动机出现故障，立刻节流控制，紧急叫停发射任务，避免后续损失。
这项技术的验证，为后续我国一次性运载火箭重复使用技术提前进行相关技术验证，为我国重复使用运载火箭研制打下坚实基础。“返回技术是世界难题，也是中国航天人当前的追求。”肖耘说，此次发射的组合型长八火箭，走出中国航天可回收技术验证的第一步。
除了“长征”系列运载火箭国家队外，目前国内快速发展的民营航空企业也纷纷将目光投向火箭可回收技术的研发，并取得了可喜的进展。
2019年8月10日10时35分，中国民营航天企业翎客航天在位于青海省茫崖市冷湖镇的火箭基地进行公里级可回收火箭RLV-T5第3次发射及回收试验，试验取得圆满成功。
此次回收试验飞行时间50秒，目标高度300米，实际飞行高度302米，落地精度7厘米。此前，翎客航天RLV-T5型可回收火箭曾在今年3月27日和4月19日先后两次进行低空回收飞行，飞行高度分别为20米和40米。
据介绍，翎客航天公里级可回收火箭RLV-T5，是目前中国国内体量最大、技术最先进的可回收火箭。该箭主要用于将来亚轨道可回收火箭和入轨级可回收火箭的先期技术探索，具有技术新颖实用、试验成本低廉、可重复使用次数高、可快速迭代等特点。
2021年10月，深蓝航天“星云-M”1号试验箭成功完成百米级垂直起飞及降落（VTVL）飞行试验，最大飞行高度103.2米。经飞行试验数据判读，本次飞行达到了全部试验考核目标，全箭设备状态正常，试验任务取得圆满成功。在液氧煤油火箭领域的成功垂直回收高度上，“星云-M”火箭继续实现新的突破。
深蓝航天“星云M”火箭实现软着陆
结语
自从太空探索技术公司铺平了垂直起降回收复用道路后，美、中、欧、俄、日都相继开展了相关工作。纵观目前各国在研或规划中的垂直起降回收火箭，不难发现诸多共同点，虽然各家出发点互不相同，但结果却是“殊途同归”。
首先各家的首要目的都是降低发射成本，以提高竞争力和发射频率，而回收复用能够有效降低成本的前提是一型火箭本身的研发和制造成本要相对低。反之，如果一款复用火箭本身研制成本高企不下，即使能够复用，其成本依然难与一次性火箭相较高下，航天飞机黯然退役的结局殷鉴不远。因此各家在设计上大多采用同一种发动机的不同版本，发动机的循环类型以设计简单成本低的燃气发生器循环为主，还普遍采用了增材制造技术。
除此之外，考虑发动机翻修条件，新研回收火箭不约而同采用了低积碳（结焦）的液氧甲烷作为主要推进剂组合。同时因液氧和甲烷沸点温差仅20摄氏度，贮箱共底难度相对其他推进剂组合大幅降低，多型火箭采用了共底设计，从侧面拔高了火箭性能。还有发动机的并联设计和变推力性能也为提高火箭可靠性的动力冗余设计提供了强有力的支撑。目前虽然一次性运载火箭仍是绝对主流，但这股复用火箭之风呈渐盛之势，足见业界已经对回收复用火箭是否可行、是否省钱、是否可靠3 个关键问题有了初步的答案。