【基于地面拦阻系统的火箭垂直着陆回收机构设计】人类开始研制运载火箭以来，就一直关注火箭回收问题，钱学森先生在20世纪60年代初编著的《星际航行概论》中专门探讨了运载火箭回收。美国在20世纪70年代研制的航天飞机也实现了助推器的回收，美国民营航天公司Kistler在1993年就提出了伞降火箭回收方案K-1火箭。现在发动机、控制等各项技术趋于成熟，火箭回收技术也发展到了较为成熟的阶段。火箭回收主要有3种方式：1）伞降回收方案。 2）动力反推垂直下降方案。3）滑翔飞行水平降落方案。
中国在论证可重复使用火箭回收技术时，结合国情，主要开展伞降方案和动力反推垂直下降方案研究，分别用于整流罩和一子级的回收。在论证一子级动力反推垂直回收方案时发现，在现有姿控水平下，通过自主干扰控制等方法消除风载影响，火箭落点位置偏差可控制在米级，精度较高；主要问题为回落速度较快，着陆腿回收机构强度和稳定性设计难度较大。因此，在火箭精确落点控制的基础上，提出一种基于地面拦阻原理的运载火箭垂直回收缓冲机构方案，通过拦阻索和阻尼器的综合作用实现运载火箭的安全可控回收，能够避免深度变推力发动机的研制难度和不确定性，省去着陆腿设计，提高火箭回收稳定性。
1. 回收原理
基于地面拦阻原理的运载火箭垂直着陆回收机构方案所示，由运载火箭系统（含拦阻钩）和回收平台系统（含拦阻索）两部分组成。
地面拦阻回收机构由主框架、支撑、拦阻索、滑轮、阻尼器等部分组成。垂直回收原理为运载火箭在栅格舵和发动机喷管摆动的共同控制下，以接近竖直的箭体姿态落入回收平台四根拦阻索围成的正方形范围，火箭下降穿过该正方形并利用级间段/箱间段位置伸出的拦阻钩挂住拦阻索，通过拦阻索和阻尼器实现火箭的制动回收。拦阻索围成的正方形范围设计为考虑火箭落点位置偏差的最大安全范围，以保证火箭能落入拦阻区域。同时，平台能够在圆形导轨上转动以保证拦阻索与拦阻钩相对垂直，提高拦阻成功率。
回收平台主框架为工程标准模块组合式桁架结构，设计上主要考虑强度、刚度和防热，整体结构可拆解、可维护、可重复使用，建造和使用成本可控。
拦阻钩设置在运载火箭级间段或箱间段位置，可折展。当火箭正常起飞时，拦阻钩能收拢紧贴于箭体侧面或收纳于箭体内部；当火箭回收时，拦阻钩展开钩住回收平台系统的拦阻索。拦阻钩的作用不仅限于钩住拦阻索使火箭减速，还在于尽量增大火箭拦阻时的拦阻覆盖面积，保证火箭能够钩住拦阻索。
为能将火箭有效拦阻，拦阻索需具备以下特点：①高强度、高韧性；②耐热性；③大柔性。仅依靠拦阻索自身变形难以实现火箭的可控有效减速，需要将拦阻索绕过滑轮与阻尼装置相连，将拉力通过滑轮和绳索传递到阻尼装置上，通过阻尼器控制火箭减速过程中的拦阻力和过载，拦阻的同时保证箭体结构安全。为了减小挂钩瞬间对火箭结构的冲击力，可设定阻尼器输出拦阻力为拦阻索释放长度的增函数，挂钩时刻开始释放拦阻索，拦阻力接近为零，对拦阻钩冲击小，之后拦阻力逐渐增大。
2. 回收机构
火箭拦阻钩：火箭上的阻拦钩组件主要由拦阻钩、锁定装置、转动支座、展平限位绳和缓冲垫组成。在着陆前，4套拦阻钩被锁定装置约束，完全贴在箭体外壁，不影响气动外形；着陆时，锁定装置解锁，拦阻钩沿转动支座转动，在拉簧的作用下主动展开，展开受限位绳索的限制到位停止，展开角度可通过调整限位绳索的长度进行调整。
为了提高拦阻钩钩住拦阻索的可靠性，采取以下措施：
1）拦阻钩组件上每间隔约1 m设置1个可滑动的锁钩，任意一个锁钩与阻拦索碰撞均可实现钩住拦阻，最终锁钩均会滑动到拦阻钩组件的端部，不影响回收过程中的火箭姿态；
2）为了避免拦阻钩碰撞拦阻索后出现反弹脱钩现象，锁钩均设置了锁舌，保证阻拦钩一旦钩住阻拦索就被限位，不会发生脱离。
回收机构设计：火箭垂直着陆回收机构整体由主框架、拦阻索、阻尼器及控制器组成。主框架和阻拦索的尺寸根据回收火箭的质量、直径和关机时刻初始速度确定。阻尼器用于提供制动过程中的阻力。控制器可同步调节4个阻尼器的制动力大小，进而调节火箭模拟件回收过程中的加速度、制动距离等。
通过对基于地面拦阻系统的运载火箭垂直回收机构的设计、仿真分析和缩比试验件测试，形成如下结论：
1）地面拦阻回收机构具有较好的回收效果，由于制动距离和制动力的可调节范围大，火箭结构承受的过载和冲击较小，姿态稳定。
2）在火箭落点水平偏置或旋转一定偏差范围内，地面拦阻回收机构均能够实现箭体结构的可靠安全回收，整个过程对阻拦制动距离无影响。
相对于当前的着陆腿方案，地面拦阻回收机构转移了火箭自身缓冲着陆结构设计，回收过程中火箭结构承受的过载和冲击更小，火箭的姿态更受控，回收稳定性更好。
参考文献/胡振兴, 张希, 宋征宇, 田建东, 章凌, 陈献平, 黄海忠, 王辰. 基于地面拦阻系统的火箭垂直着陆回收机构设计[J]. 深空探测学报(中英文）, 2022, 9(5): 477-482. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210109
