来源：语宙 作者：宙姐
精确返回靠舵手
最近的一条重磅新闻，想必大家都注意到了。7月26日11时57分，中国航天科技集团有限公司一院抓总研制的长征二号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火起飞，不仅成功发射“一箭三星”，火箭的一子级落点还实现了精确控制。
“落点实现精确控制”，意思是，指哪儿落哪儿。航天科技集团是这样“官宣”的——“落点在设定的落区范围内，标志着我国运载火箭首次‘栅格舵分离体落区安全控制技术’试验取得成功！使我国成为继美国之后的第二个掌握此项技术的国家。这是中国航天在落点可控、精准回收领域取得的重大突破，是向可重复使用运载火箭迈出的坚实一步。”
栅格舵分离体落区安全控制技术——这是啥黑科技？
落点不都是在无人区么？
在描述星（船）箭关系时，我们常说，“火箭以自我牺牲的方式完成送航天器入轨的使命”。牺牲体现在哪？对于大多数不可回收的一次性运载火箭来说，飞行的过程，就是一级一级、一节一节燃烧托举的接力过程。逃逸塔（一些载人火箭）、助推器、芯一级、整流罩、芯二级逐次分离，或进入太空，或坠入大海与地面。
分离后坠落的航天器通常是不可控的飞行器，那么就可能导致安全问题。保障陆上落区安全，一般有两种方法，一是将其落点控制在人烟稀少的地方，二是提高落区划定的精度，从而减小落点散布的范围。
为配合西昌卫星发射中心任务……（来源：福泉微生活）
然而，随着社会迅猛发展和人口数量激增，“（上个世纪）六七十年代建立的内陆火箭发射场周边的火箭残骸落区，不再是绝对的无人区。”落点算法不可能完美而无人区越来越少，火箭残骸从天而降砸到有人区，危险；携带一定质量剩余推进剂落地，更危险。同时，由于残骸中存有记录飞行数据的“黑匣子”——磁记录仪等设备，回收残骸也会因为落点分散而增加难度。
砸着人/花花草草的概率多大？
火箭发射壮观，残骸坠落的阵势也不小。12月31日，我国地球同步静止轨道气象卫星风云二号08星在西昌卫星发射中心成功发射。将卫星送入轨道的是长征三号甲运载火箭，其一级落在了贵州省福泉市。有记者拍到了火箭残骸在山林间落地的瞬间。
火箭残骸从天而降（来源：中国青年网）
航天器的精准坠落，不一定是常态。9月，美国服役的高层大气研究卫星（UARS）面临失控坠落的危险。NASA预计，卫星碎片砸到人的几率约1/3200。尽管看上去几率很小，“不过这个几率与坠机身亡（1/200000）、美国人一生中被雷劈中（1/10000）的几率相比，仍是较高。”
几率对于个案几乎是没有意义的。12月23日，俄罗斯新一代军民两用通信卫星“子午线”系列中的05星Meridian - 5发射失败，一块直径50厘米左右的球形残块击中了西伯利亚地区的一座房屋。“房主听见一声巨响，残块坠落，房主跑出屋子看见房屋破损。”
正因如此，世界多国均对航天发射购买第三方责任保险有明确规定。美国《航天商业发射法》规定，发射服务商为每次发射购买1- 5亿美元第三方责任保险。俄罗斯出台法律规定，购买0.8- 3亿美元的第三方责任保险，保额视火箭大小而定。
栅格舵究竟是什么？
既然火箭残骸坠落有风险、而被动减小落区范围的努力效果又十分有限，不如主动控制火箭残骸落点。也就是说，通过控制技术让子级火箭落到绝对安全的区域——所以说，火箭回收不仅仅省钱，也有更重要的安全考虑。
子级回收大致分为伞降回收、带翼飞回式和垂直返回回收三种类型。伞降回收的典型代表是美国的航天飞机助推器、战神I-X 助推器等。带翼飞回式就是给火箭返回部分装上机翼，利用控制舵面和RCS 系统实现水平着陆，典型如美国的航天飞机、X-37B空天往返飞行器。垂直回收则是火箭子级在完成任务后，重新启动发动机实施发推减速，并最终垂直着陆到预定位置。美国Space X 公司在Falcon 9 、Falcon Heavy火箭垂直返回控制中，采用了栅格舵和RCS复合的再入返回控制方案，实现了芯级和助推器的精确回收。
此次长二丙飞行所实现的并不是回收，只是残骸的精确坠落。但上述回收技术中涉及的“栅格舵”，就是它加装的东西。它像是“翅膀”，又像“方向盘”，能控制、引导芯一级在合适的落点着陆。
栅格舵（来源：航天科技集团）
进步不是一天炼成的（来源：孔夫子旧书网）
栅格厉害在哪？
由于栅格舵是当火箭子级返回时才用得上的东西，其特性必须满足：上升段可折叠安装在芯一级箭体上，结构重量尽可能低，结构强度满足全速域使用要求，上升段对火箭自身气动性能影响较小；再入返回段展开后，能够提供足够的气动稳定性和满足控制要求的气动效率。简单概括就是，上升时深藏不露，返回时稳稳掌舵。
栅格这种让密集恐惧症患者头疼的网格构型，早已被发现可提高飞行器升力特性、增加稳定性可控性并具有足够的比强度和比刚度。
框架式与蜂窝式栅格翼布局
此前的一个典型应用是在载人火箭的逃逸系统。我们熟悉的长2f顶端那个避雷针一样的东西，叫做逃逸塔。一旦发生重大险情，逃逸塔会像拔萝卜一样将航天员带走，而逃逸塔上的栅格翼就像飞行器的尾巴，让逃逸飞行器高速又稳定地飞而不会折个儿——这个好理解，带羽毛的箭肯定比光秃秃的飞得更稳，对吧？
联盟MS-10任务逃生的美俄宇航员
长二丙用栅格舵控制残骸落区从而减少安全风险，是技术上的进一步发展和工程上的创新，“为我国运载火箭后续助推器及子级的可控回收、软着陆、重复使用等技术奠定坚实基础。” 作为地球上的极限事业，运载火箭在化学能比冲接近极限、材料可承受高温高热接近极限的“双极限”中寻求突破，靠的正是像栅格舵技术这样一点一滴的进步。各位加油！
参考文献：
徐明兴等，基于栅格舵的火箭芯一级残骸落点控制问题研究，飞行力学7月10日网络出版；
贾洪印等，栅格翼在减小火箭残骸落点散布上的应用，航天返回与遥感第39卷；
王辰等，栅格翼展开等效试验方法研究，宇航计测技术，8月第36卷第4期；
扈佳林，重磅！我国成功完成首次火箭落区安全控制技术验证，“中国航天科技集团”公众号7月28日；
贾永等，直击神舟发射583秒，10月12日新华社电；
美国失控卫星今日将撞击地球预警时间仅20秒，09月23日国际在线；
俄“子午线”卫星发射失败残块击中普通民居，12月25日新华社专电；
周华等，我国航天保险发展研究，中国航天第6期。
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