火箭回收 暢想-從星艦說起

朱雨心

SpaceX 的星艦飛船10公里高度 降落試驗 第一次成功着陸（SN15, 2021年5月5日）後，我就對火箭回收 提出了一個 變形金剛 的思路，以及 幾種 實施方案。

我們 用星艦 為參照 來 做 說明。

星艦飛船 空重 85 噸，直徑9米，高50米。星艦飛船 是 橫向降落，完全依靠飛船的風阻 平衡 飛船的重量；在接近地面時豎起 與地面垂直，用火箭發動機 最後減速。

星艦飛船 橫向降落 時的迎風面積是 9 X 50 = 450 平方米，單位迎風面積的平均（力）載荷是 85/450 = 0.19 噸/米²。

星艦超重助推器（火箭第一級）空重 200 噸，直徑9米，高70米。星艦超重助推器是 垂直降落。迎風面積是 (9/2)² X 3.14 = 63.6 平方米。如果 完全依靠 飛船的風阻，那麼單位迎風面積的平均載荷是 200/63.6 = 3.1 噸/米²。這是 星艦飛船 橫向降落的載荷的 16.6 倍。要產生 這樣高的載荷，星艦超重助推器 垂直降落時 的 速度 就 需要有 16.6 倍 星艦飛船 橫向降落 的 速度。這樣高 的 速度 會在星艦超重助推器 的底部產生 難以承受的 高溫，使得 這樣的回收方法 不可行。所以星艦超重助推器 垂直降落 時，不可能 完全依靠 飛船的風阻，而必須 使用火箭發動機 減速。而 使用火箭發動機 減速 需要 消耗燃料，也就需要 攜帶 更多的燃料用於火箭回收 而不是 發射 有效載荷。從這一點上講，垂直降落 不如 橫向降落。

那麼，星艦超重助推器 為什麼 不採用 像星艦飛船那樣的 橫向降落 呢？如果 橫向降落，那麼 迎風面積是 9 X 70 = 630 平方米，而單位迎風面積的平均載荷是 200/630 = 0.32 噸/米²，但是 比 星艦飛船 橫向降落 的 載荷 大得多，因此 需要 更高的 降落 速度，從而 產生 更高的溫度。另一個 問題是 星艦超重助推器 有 33台 發動機，每台重1.5噸，而星艦飛船 有6台 發動機。星艦超重助推器 的底部 很重，如果 橫向降落，難以 維持 平衡。

那麼 能不能 克服上述 問題，讓 星艦超重助推器 橫向降落呢？

變形金剛 思路 的 實施方案 之一：躺平 法

星艦超重助推器 橫向降落時，把 箭體的外殼 展開成 一個 平板，火箭的其它內容 就 變得 躺在 這個 平板上，以這樣的 姿態 降落。這時的 迎風面 的面積 就是 原來的 3.14 倍了，而單位迎風面積的平均載荷是 200/（630X3.14） = 0.10 噸/米²，只有 星艦飛船 橫向降落 時的 一半，而從 能以 更低的速度 降落，溫度也更低。

因為 現在的 單位迎風面積的平均載荷 低的多，我們 可以 不必 完全 展開。我們可以 只把星艦超重助推器 的下部分 完全展開，而上部分 部分展開 或 不展開，例如 是 一個 上方 寬 9米，下方 寬 9x3.14 = 28.26 米的 梯形 的 迎風面，以平衡 底部 發動機的 重量。

這個 平板的 四角 各有 有一個 活動面，用來控制 火箭降落時的 姿態 與 降落的方向。這個 平板 並不需要 完全 展平，也可以 有一個錐角， 160度，以利於 飛行 平穩。

用 躺平法 可以實現 星艦超重助推器， 完全依靠 風阻，橫向降落。這樣 可以 少用、少帶 用於 減速的燃料。

如果 把這個 躺平法 用於 星艦飛船，那麼單位迎風面積的平均載荷 就從 0.19 噸/米²  變成0.19/3.14 = 0.06 噸/米²，只有原來的三分之一了。這樣，星艦飛船 就可以 以大致 原先三分之一的 速度 降落。這樣，單位迎風面積的平均 熱載荷 顯著降低，或許 就 不需要 防熱瓦了。

增加 這個 展開 機構，會增加 一些 結構重量，但是，而單位迎風面積的平均 熱載荷 顯著降低，或許 可以 省掉 防熱瓦的重量，甚至 箭體 也 不需要用 不鏽鋼 而 可以 用 更輕的 鋁合金。

橫向降落 可以 少用、少帶 用於 減速的燃料。這是 橫向降落 的優點。缺點 就是 無法 利用 發動機 來 減速。這個 缺點 對於 星艦超重助推器 沒有什麼 影響，但是 對星艦飛船 可能 有影響。因為 星艦飛船 需要 能在 滿載的情況下 降落。那時 完全依靠 風阻 可能 不夠，那麼就需要利用發動機 提供 額外的 推力。如果是那樣，那麼 就必須 是 垂直 降落。那麼，有沒有可能 在垂直降落時 有 橫向降落時那麼大的迎風面 呢？ 可以的。

變形金剛 思路 的 實施方案 之二：傘 法

把 火箭的外殼 分成 幾瓣，例如 4 瓣 或8瓣。在 垂直 降落時，把 這幾瓣 外殼 張開，像 傘 張開 一樣。傘在前，飛船在後。以星艦飛船 為例，如果 外殼 全部 都 完全 張開，那麼，形成的 迎風面積 與 前面 說的 躺平法 大致 一樣大，是 現在 SpaceX橫向降落時 的 3 倍。用 這個方法 可以完全依靠 風阻 垂直降落，而且 能以大致 原先三分之一的 速度 降落。而單位迎風面積的平均 熱負荷 顯著降低，或許 就 不需要 防熱瓦了。

如果 只是 實現 與現在星艦飛船 橫向降落 那樣的 效果，那麼 星艦飛船 只需要 有 三分之一 的 外殼 張開 就夠了。再算上 9 米直徑的底部面積，傘（瓣）長 14 米 就行了。也可以 把 一個 大傘 分成 兩個或多個 小傘。例如，前後 兩個 傘，傘長 7 米。當然， 前後 兩傘的傘瓣 的長度 也可以不同。 後面的 傘瓣 應該 對着 前面的 傘瓣間的 空隙。

而 星艦超重助推器 做 垂直降落時，按前面的計算 只需要 有 二分之一 的 外殼 張開 就夠了。傘瓣 長34 米 就行了。也可以用 兩組傘，傘瓣 長 17 米。

前面說的 傘 的 傘瓣 是 分立的，傘瓣之間 有空隙。我們 也可以 把 傘 設計成 一個 完整的 傘面，沒有 那個 空隙。這樣 能夠 形成 更大的 迎風面。那麼 星艦超重助推器 只需要 一個長度 14 米的傘。而星艦飛船 只 需要一個長度 7 米的傘。

開傘的 機構 會增加些 結構重量。但是 可以 完全依靠 風阻降落。這樣 可以 少用、少帶 用於 減速的燃料。並且，可以使 單位迎風面積的平均 熱載荷 顯著降低，或許 可以 省掉 防熱瓦的重量，甚至 箭體 也 不需要用 不鏽鋼 而 可以 用 更輕的 鋁合金。

SpaceX 的問題

獵鷹火箭 回收時， 與  星艦超重助推器 回收時，火箭底部 熱到 通紅。這 不可取。

火箭發動機 工作時，儘管 噴出的 火焰 溫度很高，但是 噴嘴 是有 冷卻的，不會熱到 通紅。現在 降落時，熱到 通紅。這 可能損害 噴嘴。當然 可以 把它 做的 能 承受 那個溫度，但是 必然 成本 更高。而且 在 那個 火箭底部，還有 很多 管道、電線、以及控制噴嘴擺動的機構，現在都需要能耐那個高溫。即使 能做到，必然 成本 更高。

獵鷹火箭 與  星艦超重助推器 回收時，如果 要避免 火箭底部 熱到 通紅，就 必須要 用 更小的 降落 速度，從而 必須 要 更多地 使用 火箭發動機 減速，從而 必須 要 攜帶 更多的燃料 用於 火箭回收。

獵鷹火箭 的 第一級 空重 是 22.2 噸。直徑3.66米。垂直降落 時 的 單位迎風面積 的 平均（力）負荷 就是 2.1 噸/米²。星艦超重助推器 垂直降落 時 的 單位迎風面積 的 平均負荷 更高，是  3.2 噸/米²。如果 在自然降落（不用火箭發動機）時，要避免 火箭底部 熱到 通紅，那就必須增加 迎風面積，使 火箭 以 更小的速度 下降，單位迎風面積 的 平均負荷 必須 顯著 小於  2.1 噸/米²

最近，中國的 藍箭航天 公司的 朱雀三號 火箭 做了 靜態點火 試驗。它的第一級 是 可回收的，像獵鷹火箭 那樣 垂直 降落。它的 着陸的 腳 也 與 獵鷹火箭 類似， 是 尖尖的 小腳。缺乏 創新。

應該 改用 大腳。每個 腳寬 是 四分之一 箭體 周長，收攏時 緊貼在 箭體 上。降落時 應該 早早 把着陸腳 張開，增加 迎風面積，以降低 降落速度。（獵鷹火箭 的 腳 只 是 在 臨着陸前 才 啟動）

以獵鷹火箭 為例（我沒有朱雀三號的數據），着陸腳長5.5米，如果 用 四分之一 箭體 周長 寬 的 大腳，那麼 垂直降落 時 的 單位迎風面積 的 平均（力）負荷 就從 2.1 噸/米² 顯著 減小到0.3 噸/米²。如果 再用 腳蹼，那麼 負荷 就 進一步減小 到 0.13 噸/米²了，應該 就可以完全 自然降落，而且 不會 熱到 通紅了。防熱瓦 也 不需要了。這，就是 前面 講的 變形金剛思路 的實施方案之一 傘法 的 一種 應用。用在 這裡 的妙處是：張開機構是現成的。何樂而不為呢？

朱雨心  11/1/2025  （版權所有。商業轉載需獲得作者授權）

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