SpaceX 的「獵鷹 9 號」(Falcon 9) 可回收火箭突破了哪些技術難點？

11-28

新聞來源：美將試射首枚可回收利用火箭或改變航天史
為什麼新聞將之稱為「第一枚」？不算去年的蚱蜢火箭是為什麼？
那相比常規火箭而言，這個「可回收」的技術難點突破有哪些？

謝@袁霖邀

發射推遲了。推遲到周五，希望到時候別慫
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以下是原來的回答

突破了哪些技術難點。。。。。。我實在是不懂，雖然是個航天愛好者（捂臉）但是就是個看熱鬧的，不過看歸看，老看也看出點門道來。

本次任務是用獵鷹九號把貨運龍飛船送到國際空間站去，給上邊的宇航員帶兩頓半的補給品，送補給品沒啥，俄羅斯的聯盟飛船也能幹，但是這次飛行的亮點就是。。。。SpaceX公司嘗試控制獵鷹九號火箭的一子級，讓它完成任務後落在大西洋上的一艘駁船上。

就是這貨，馬爾馬克300號

這可是前無古人（肯定會後有來者）的舉動，因為在此之前，沒有任何一枚火箭的子級以這種方式進行過回收，最直觀的好處在於省錢，太空梭的固體助推火箭是用傘降的方式降落到海里，然後船舶打撈回來，修理修理繼續使用，看上去這種方式也省錢，但實際上算上打撈翻新亂七八糟的，省不了幾個錢。

至於蚱蜢火箭，當時SpaceX就是用它做了很多次低空的垂直起降試驗，試驗嘛，肯定不是正式的，而這次發射，就是首次正式的，用含有這項技術的子級來執行飛行任務。

據說發動機應該是解決了冷卻的問題，像梅林-1D這樣的比較成熟的液氧煤油發動機，還是可以重複使用的，冷卻性能也是非常優異的。

在2013年9月的回收試驗中，火箭在范登堡空軍基地升空後，箭體發生旋轉，離心力過大，阻礙了燃料經燃料泵進入發動機，為了抵消離心力，工程師給火箭裝了更強大的氮氣冷卻推進器。

手機打字扯得有點遠，還是說這次任務吧，官方是這樣說的，火箭起飛後的3分鐘，一二級分離，上面級繼續推著飛船前進，這時有著14層樓高的火箭第一子級嗖嗖嗖的墜入大氣層，速度高達1300米每秒，並用末端的九台梅林-1D火箭發動機的中央一台（不是CCTV1）進行三次點火，第一次用於修正降落地點，第二次事超音速返回時的減速點火，使第一子級返回大氣層時安全降落到250米每秒，第三次是降落點火，讓它保持住2米每秒的速度著陸。

官方還說，成功率最高也只有百分之50，控制火箭子級精確的降落在駁船上難度是很大的，官方舉了個例子，相當於手掌托著一根笤帚，在暴風中使笤帚保持豎直，還有就是前兩次海洋軟著陸的精度是10公里，這次的精度要求是。。。。。。。10米內。。。。。。。不過早期試驗中，精度是10公里，據說在後期實驗中，可以達到10米的精度。

為了保證回收成功，第一子級頂端安裝了四片柵格翼

就這貨

每片柵格翼都可以獨立調整姿態，升空中收攏，降落時打開，在第三次點火減速同時，火箭底部直徑3.6米的四個碳纖維和鋁材質的著陸支架打開，將接地直徑擴大到21米。

不過，並不是每次發射，SpaceX都去嘗試回收火箭，因為一些大型的商用通信衛星或者軍事衛星的發射中，沒有更多的剩餘燃料來執行回收任務，等以後的重型獵鷹火箭首飛成功後，能回收的火箭就更多了。

參考果殼的相關文章，然後自己查了一些東西，我找到的就這麼多了，其實我這答案，答不對題，有很多說的不到位的地方，還是等待大神們的精彩回答吧。

祝這次飛行好運！！！！！

謝袁霖邀請，時間有限簡單答一下（以下均為個人觀點）。

這是一次在低軌道輸送任務同時展開的技術試驗，試驗內容是利用芯一級的剩餘燃料進行可控下降及軟著陸。
這次試驗的目的是，進一步驗證Falcon 9 v1.1火箭的芯一級回收能力，為走向工程實用鋪平道路。
這次試驗成功之後才能宣稱Falcon 9 v1.1火箭的芯一級具有回收能力，至於能不能繼續使用要看分析結果。它的上面級沒有回收能力。上一次類似實驗的芯一級在海上軟著陸了，但是回收不回來，不能作為下結論的關鍵事件。

為什麼新聞將之稱為「第一枚」？不算去年的蚱蜢火箭是為什麼？

目前沒有運載火箭的完整的芯一級干過類似的事情，稱為第一枚是可以的。太空梭是個特型，不討論。
Grasshopper是驗證機，從地面起飛達到一定高度並降落，遠不夠驗證再入回收全過程。也因此SpaceX會在保證主要任務並有裕量的前提下開展類似試驗。

那相比常規火箭而言，這個「可回收」的技術難點突破有哪些？

高空高速強氣動力條件下的姿態控制問題，這也是為什麼冷氣裝置能力不夠，要上柵格翼。要讓這麼長的一級不翻滾起來很難。
高空高速強氣動力條件下的點火與反推問題，NASA都沒真刀真槍試驗過（風洞里倒是吹過的）。反推時發動機的噴流要和前進方向上的激波相互作用。
高精度的軌跡控制。想像一下，從一百公里之外把一個標槍扎到一個那麼小的駁船上，過程中受大氣影響很大，需要很高的GNC水平。要知道神舟飛船的設計落點精度不過是3公里左右。
雖然這枚火箭用的是成熟工業技術製造出來的，箭上的單個技術也沒有過於創新的，但把技術組合起來這麼使用，走到了無人曾涉足過的禁地。

以下為補充內容：

Elon Musk在Reddit的在線活動中說，50%的成功概率是他make up出來的，他沒計算過。當然這可能是句玩笑話（我覺得是真的，這個概率算都沒法算）。
Falcon 9 v1.1為什麼要在down range上回收，是因為飛回發射場對運載能力的penalty太大，貯箱里剩餘太多燃料相當於降低了火箭的干質比。至於海上回收是因為發射場在海邊，down range在海上。
Elon Musk認為，燃料只佔費用的小頭，把火箭整個弄回來是正道，損失點運力也沒什麼，反正我便宜，報價是競爭對手的一半，是發射政府載荷的ULA火箭的1/3。
實際上Falcon 9如果一次性使用，運載係數非常高，是非低溫燃料火箭里唯一一個能用兩級火箭打GTO軌道的。

蟹妖
Grasshoper蚱蜢火箭是Falcon 9的亞軌道試驗火箭，寫個第一吸引眼球，然後不管後面該加什麼定語，這個算沒大問題了，比這個科技報道不嚴謹沒有科學精神的多了去了……

然後討論一下「可回收」：

技術難點：
1.高空高速下的姿態控制和減速：
1.1高空（這個或許不算難點）；
1.2高速；
1.3姿態調整幅度大（前後運動方向幾乎相反）；
1.4氣動布局（火箭都是無翼的彈道導彈布局，由於要返回基本都要向有翼的飛航導彈布局轉換，別人的回答有圖了我就不放了）；
2.上面級的再入（這次沒有）：
難度上基本上應該是，返回式衛星/飛船&

而運載火箭相比太空梭：
1.優勢：
1.1系統更加簡單（同等條件下越簡單的系統穩定性和可靠性越高）；
1.2元器件可靠性要求更低；
1.3以上兩點表明整體可靠性有相當的優勢，在檢修和環境試驗會有更少的項目和開銷；
1.4由於是無人的，成功率和經濟效益可以綜合考慮，不必像太空梭那樣追求成功率；
2.劣勢：
2.1氣動布局差；
2.2初始姿態差（尤其是第一級）；

其實在設計中，很多時候都會有冗餘的產品，畢竟一台設備連個參照都沒有，出點異常都沒法比對，而一堆篩選鑒定環境試驗都是有數量要求的。因此如果是連續生產而且量不大的話，那麼上一批的合格品還可以用於組裝新的火箭，從這個方面考慮的話「二次新造」一枚火箭的成本並不一定高於回收再利用。
當然我並不認為所有的火箭都應該去做回收，但我還是支持回收再利用的工作的探索的，這些系統的設計壽命都遠超一次發射時間。我的看法時對於那些常用的軌道和載荷重量的火箭，由於發射次數會比較多，並且肯定不是大推力火箭，因此有餘力去完成這個任務，適合去做重複利用的工作，而對於小眾的，或者新型的火箭則沒必要在一開始就考慮（預留空間可以考慮）。不過SpaceX在火星計劃裡面打算即回收第一級又回收上面級……值得商榷。
當然這裡面有勇氣和膽識，也有噱頭的因素吧，一家很有活力但不是最前沿的機構，需要通過改變傳統的思維模式來創新和吸引眾人的目光。
作為鍵盤俠我們是不清楚實際上利弊應該如何權衡的，而航天領域是需要勇氣和膽識去創新和嘗試新的思路的，畏首畏尾墨守成規得過且過並不利於航天技術的發展，而創新不僅僅是去實現更高的指標，也有思維上的創新儘管這些思路可能會被證明是錯誤的，但積累的經驗將是我們進步的基石。

最後我心目中也有著這樣的運載火箭，從起飛到降落，在高點以合適的角度與上面級分離，類似ICBM的軌跡，一路姿態控制，固定的發射場，固定的回收場。
之所以目前海上回收因為不同的發射不同的型號之間的差異導致固定的回收場比較不方便，比較尚未成熟的姿態調整和定位技術使得提及降落在固定的回收場尚需時日，不過，全程不靠海的好處就是省去了一堆與海洋有關的而與航天破事沒有的環境可靠性。

總而言之，不必為了回收而回收（說的不是SpaceX，因為不太清楚）；

治療頸椎病專用……才疏學淺，掛一漏萬，以上……

有個點別的答案沒怎麼提到。
最基礎的東西往往是最難的，俗稱一力降十會，就是火箭的運載係數。

F9的直上直下是最簡單的回收方式，箭體受力控制方式都和發射時幾乎一樣，但卻是最消耗燃料最考驗運力指標的。
一二級分離的時候一級多留幾十噸燃料降落，意味著二級的重量要減少幾十噸，載荷的重量也要扣幾噸。如果本來火箭就沒幾噸運力，那就經不起扣了。
所以SpaceX不斷打雞血增加運力，弄到了兩級煤油液氧不帶助推打LEO22.8t，GTO8.3t這樣在同等級火箭里前無古人的數據，然後才有資本去嘗試GTO5.5t一箭雙星任務的回收。

要是用普通火箭的水平做F9，剝掉助推器只剩不到5t的GTO，不用氫氧燃料再扣2~3噸，回收再損耗2~3噸，最後一個五六百噸的火箭回收一級的情況下只能用來打幾百公斤的載荷，除了做演示不剩下什麼實際價值。

對於其他的火箭來說，克服回收的技術性問題可能還相對簡單些，反推控制降落也不非常困難。

但是火箭運力問題不解決即使實現回收也毫無經濟性，而且這是綜合問題無法搞大躍進，只有全面提高箭體，發動機，材料，設計各方面的水平，把推重比，比沖，干質比的問題依次解決，運載係數做上去，才有可能真正在實用火箭上進行有意義的回收。

拋個磚。
為啥是第一枚，因為是2015年的一枚，所以網易這幫翻譯工選擇性的忽略了2015。
首先，要真說技術突破，這火箭還真沒啥技術突破，用的都是成熟技術。
這火箭，算是應用突破，把各種成熟技術結合在了一起，做出了以往沒有的應用。
難點：
1.第一節的九台發動機的控制。
2.落下時的姿態控制。
3.降落時地速度。

說真的，我真不怎麼看好這火箭。
所謂的節省99%的費用，應該是只是算了燃料錢。
問題就是落地時的那一「摔」，這一「摔」,對火箭肯定是有影響的。
目前看，第二次跟第三次發射的火箭都成功著陸。
然後摔爆炸了。
哪怕以後成功著陸並回收，回收來的火箭肯定需要進行檢修。
這是一筆不清楚多少錢的花費。

想想看美國人的太空梭，美國人當年的想法也是很好的，每次發射就花兩個助推火箭+一個燃料罐+一罐燃料的錢。
結果每次回收的太空梭都需要大規模檢修，需要大筆的資金來維護。

美國早在70年代就考慮過靠可回收的方式來降低航天的成本，根據這種思路美國製造了太空梭，

太空梭靠助推火箭助推升空，之後助推火箭分離靠減速傘減速落入海中，NASA把助推火箭打撈回可以重複使用。而太空梭完成任務後進入大氣層像普通飛機一樣滑翔降落到跑道。這樣一來每次發射的成本只需消耗一個燃料罐和燃料。
後來NASA發現太空梭返回準備下一次任務的檢修價格就快趕上再造一架了。
現在SpaceX項目敢把可回收控制成本這個概念說明SpaceX項目至少相比太空梭檢修費用成本肯定是能控制的不錯的

說是第一枚並不未過，以前用於實驗重複利用第一級火箭的「蚱蜢」在實驗中都是只發射第一級，沒有上面級，更沒有搭載有效載荷。這是第一次裝載可回收第一級火箭並且裝載有效載荷的發射。(帶有實驗性質，但不完全算實驗)
說到突破的技術:第一，能重複使用的發動機當然材料要相當過硬；第二，不開降落傘的回收技術真是驚世駭俗，通過自旋和脈衝發動機保持姿態穩定，通過發動機減速。還要準確落在平台上，相關控制技術也很先進。第三，著陸架的結構設計也不是一件簡單的事。只是看過十幾篇文獻，歡迎指正。