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像回收可樂瓶一樣回收火箭?
2024年08月27日 10時03分   新華網(wǎng)

中國人對太空的向往已有數(shù)千年,眾多飛天神話見證著這一夢想。而今,中國火箭飛向太空早已成真,然而,這些飛上天的火箭,還沒有“飛回家”的體驗——火箭回收,依舊是中國火箭人面前的一道險關(guān)。

事實上,今年國產(chǎn)大火箭的回收探索已經(jīng)提速。最近,由航天科技集團八院研制的重復(fù)使用運載火箭新技術(shù)驗證箭,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功進行了10公里級飛行試驗。藍箭航天實施10公里垂直起降飛行試驗在即,深藍航天也即將迎來“星云-1”火箭一子級5公里垂直起降試驗……幾乎每個月,中國火箭就有一個回收“大動作”。

那么,為什么要像回收可樂瓶一樣回收火箭?火箭回收難在哪兒?一枚火箭從“離家”到“回家”,一共分幾步?

為何要回收火箭?

伴隨一句“3、2、1,點火!”的口令,火箭騰空而起,沖上云霄。這是大多數(shù)人對火箭發(fā)射的印象。火箭飛入太空,一條漂亮的拋物線就是大家記憶的全部了,很少有人關(guān)心它還回不回來。

2024年1月19日,藍箭航天在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心實施了試驗箭垂直起降試驗,取得圓滿成功

的確,2015年以前,火箭都是一次性消耗品,發(fā)射升空就不再回來。然而,2015年“獵鷹9號”的成功回收,創(chuàng)造了歷史:原來火箭也可以重復(fù)使用,“航班化發(fā)射”并非不可能。

實際上,“中國航天之父”錢學(xué)森在1963年出版的《星際航行概論》里就曾這樣設(shè)想:“運輸火箭,不論第一級的大火箭也好,第二級的小火箭也好,只要加上翅膀,是能夠飛回地面的,所以運輸火箭是可以用許許多多次的?!?/p>

讓火箭“飛回家”,到底有什么好處?三句話——降本、增效、提質(zhì)。

最直接的是成本的控制——回收再利用,成本自然攤薄?!盎鸺厥帐侵苯咏档桶l(fā)射成本的最佳方式。過去發(fā)射火箭是一次性的,就好比‘坐一次性飛機’一樣浪費。當(dāng)火箭實現(xiàn)回收后,它就能像飛機一樣多次起降飛行,把成本越攤越薄?!敝袊詈絽f(xié)會成員、航天科普博主“神仙號船長”白國龍說。

其次,火箭可回收,意味著發(fā)射頻率上去了,這是產(chǎn)業(yè)擴容的希望所在。傳統(tǒng)火箭發(fā)射必須留出至少兩個月的準(zhǔn)備期,還得緊盯時間窗口“看天吃飯”?!翱苫厥栈鸺煌瑑H需簡單修復(fù)維護就可再次發(fā)射,火箭利用率、發(fā)射頻率、發(fā)射靈活性的大幅提升,將極大提高快速進入太空的能力,大規(guī)模的太空探索與開發(fā)就有了可能?!鄙钏{航天創(chuàng)始人霍亮說。

此外,可回收火箭的運力升級,有助于太空探索整體提質(zhì)?!爱?dāng)前,大型星座組網(wǎng)尤其需要大運力、低成本、高頻次的火箭發(fā)射,大型可重復(fù)使用火箭正可支撐我國互聯(lián)網(wǎng)星座工程戰(zhàn)略?!彼{箭航天火箭研發(fā)部總經(jīng)理、朱雀三號總指揮戴政說。

回收火箭有幾難?

路線圖是簡明清晰的,但化圖紙為現(xiàn)實卻異常艱難。

一枚傳統(tǒng)火箭由兩級組成,一級在下,二級在上。目前的火箭回收,指的是當(dāng)火箭飛到100多公里高度一級、二級分離后,二級進入預(yù)定軌道,原本只能自毀的一級返回發(fā)射原地的過程。簡言之,火箭“回收”,現(xiàn)階段意味著一級的“回家”。

它的“回家”,大致分三步。第一步是箭體分離、姿態(tài)調(diào)整。點火發(fā)射的火箭,上升到100多公里高度后,一級的發(fā)動機關(guān)閉,二級與一級分離。一級要返回地面,首先得“調(diào)頭”,也就是姿態(tài)調(diào)整。第二步是減速。掉頭后的火箭進入返航過程,速度很快,此時需要發(fā)動機第二次點火,把速度降下來。第三步是著陸懸停,由于火箭回到原地的理想姿勢是尾部向下,頭部在上,因此還需發(fā)動機第三次點火,調(diào)整姿勢,并給火箭一個反推力,使著陸時它的加速度與速度同時降為0。

為什么說火箭“回家”比火箭發(fā)射還要難?

最難的是“回得準(zhǔn)”?!盎鸺陆颠^程中,隨著燃料的消耗、速度的變化,需要輸出不同大小的推力確保其平穩(wěn)減速,這就要求火箭發(fā)動機必須精確、動態(tài)地調(diào)節(jié)推力,并具備多次起動的功能。”東方空間公司引力二號火箭總設(shè)計師黃帥強調(diào),火箭能順利返航,必須有一套精密算法仔細指點。

“落得穩(wěn)”也不容易。火箭返航中,下降姿態(tài)、著陸角度都必須得到高精度控制,一旦著陸角度不對,火箭就可能傾覆,引發(fā)燃料外泄導(dǎo)致爆炸。這一難度就好比把筷子丟進瓶子,更何況這還是一根下降速度超過1000米/秒的巨型“筷子”。實際上,即便做到了著陸前有效減速,也要考慮到重達幾十噸的火箭所帶來的巨大慣性。要知道,火箭里有大量精密的電子元器件,要確保這些“寶貝”能夠再次使用,必須點滿它們的緩沖技能值。

7月21日,深藍航天自主研制的星云一號火箭完成模擬高空回收飛行試驗

還有個難點是“用得久”。深藍航天副總經(jīng)理鄭澤介紹,可回收火箭要經(jīng)受多次重復(fù)使用、多次再入大氣層的考驗,就需要采用強度高、耐高溫而超輕薄的新型復(fù)合材料,攻克一系列材料性能難關(guān),發(fā)動機等部件的可靠性要求尤高。此外,可重復(fù)使用的火箭,必須好保養(yǎng),回收后簡單檢測維護就能滿足再次發(fā)射要求。這方面也有許多評估檢測的技術(shù)空白待填補。

探索不會止歇

中國火箭實現(xiàn)“有去有回”,還需要做什么?

“一方面,優(yōu)化火箭發(fā)射的管理審批流程,平衡好安全與效率。另一方面,建設(shè)更多發(fā)射場、發(fā)射工位,包括陸地和海上回收發(fā)射平臺,以適應(yīng)更高頻次的發(fā)射需求。”白國龍說,創(chuàng)造一個技術(shù)快速迭代、流程和成本不斷優(yōu)化的環(huán)境,這條登山路才有望更加順暢。

火箭回收是困難的,但航天人的信心不磨。上海交通大學(xué)錢學(xué)森圖書館中,陳列著一個信封。1941年,錢學(xué)森在完成著名論文《柱殼軸壓屈曲》之際,在收納手稿的信封上用紅筆寫下“Final”(定稿)。擱筆時他突然意識到,“Final”也是“完結(jié)”:“對真理的追求,怎么會完結(jié)?”錢學(xué)森取過信封,又用黑筆寫了一句“Nothing is final”(凡事皆無止境)。

黃帥說:“我們對火箭回收技術(shù)的探索同樣永無止境?!保ò朐抡動浾?張漫子)

(責(zé)任編輯:蔡文斌)

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