像回收可乐瓶一样回收火箭?
来源:龙8国际 更新时间:2024-11-02 08:29:11
中国人对太空的收可收火向往已有数千年,众多飞天神话见证着这一梦想。乐瓶而今,收可收火中国火箭飞向太空早已成真,乐瓶然而,收可收火这些飞上天的乐瓶火箭,还没有“飞回家”的收可收火体验——火箭回收,依旧是乐瓶中国火箭人面前的一道险关。
事实上,收可收火今年国产大火箭的乐瓶回收探索已经提速。最近,收可收火由航天科技集团八院研制的乐瓶重复使用运载火箭新技术验证箭,在酒泉卫星发射中心成功进行了10公里级飞行试验。收可收火蓝箭航天实施10公里垂直起降飞行试验在即,乐瓶深蓝航天也即将迎来“星云-1”火箭一子级5公里垂直起降试验……几乎每个月,收可收火中国火箭就有一个回收“大动作”。
那么,为什么要像回收可乐瓶一样回收火箭?火箭回收难在哪儿?一枚火箭从“离家”到“回家”,一共分几步?
为何要回收火箭?
伴随一句“3、2、1,点火!”的口令,火箭腾空而起,冲上云霄。这是大多数人对火箭发射的印象。火箭飞入太空,一条漂亮的抛物线就是大家记忆的全部了,很少有人关心它还回不回来。
2024年1月19日,蓝箭航天在酒泉卫星发射中心实施了试验箭垂直起降试验,取得圆满成功
的确,2015年以前,火箭都是一次性消耗品,发射升空就不再回来。然而,2015年“猎鹰9号”的成功回收,创造了历史:原来火箭也可以重复使用,“航班化发射”并非不可能。
实际上,“中国航天之父”钱学森在1963年出版的《星际航行概论》里就曾这样设想:“运输火箭,不论第一级的大火箭也好,第二级的小火箭也好,只要加上翅膀,是能够飞回地面的,所以运输火箭是可以用许许多多次的。”
让火箭“飞回家”,到底有什么好处?三句话——降本、增效、提质。
最直接的是成本的控制——回收再利用,成本自然摊薄。“火箭回收是直接降低发射成本的最佳方式。过去发射火箭是一次性的,就好比‘坐一次性飞机’一样浪费。当火箭实现回收后,它就能像飞机一样多次起降飞行,把成本越摊越薄。”中国宇航协会成员、航天科普博主“神仙号船长”白国龙说。
其次,火箭可回收,意味着发射频率上去了,这是产业扩容的希望所在。传统火箭发射必须留出至少两个月的准备期,还得紧盯时间窗口“看天吃饭”。“可回收火箭不同,仅需简单修复维护就可再次发射,火箭利用率、发射频率、发射灵活性的大幅提升,将极大提高快速进入太空的能力,大规模的太空探索与开发就有了可能。”深蓝航天创始人霍亮说。
此外,可回收火箭的运力升级,有助于太空探索整体提质。“当前,大型星座组网尤其需要大运力、低成本、高频次的火箭发射,大型可重复使用火箭正可支撑我国互联网星座工程战略。”蓝箭航天火箭研发部总经理、朱雀三号总指挥戴政说。
回收火箭有几难?
路线图是简明清晰的,但化图纸为现实却异常艰难。
一枚传统火箭由两级组成,一级在下,二级在上。目前的火箭回收,指的是当火箭飞到100多公里高度一级、二级分离后,二级进入预定轨道,原本只能自毁的一级返回发射原地的过程。简言之,火箭“回收”,现阶段意味着一级的“回家”。
它的“回家”,大致分三步。第一步是箭体分离、姿态调整。点火发射的火箭,上升到100多公里高度后,一级的发动机关闭,二级与一级分离。一级要返回地面,首先得“调头”,也就是姿态调整。第二步是减速。掉头后的火箭进入返航过程,速度很快,此时需要发动机第二次点火,把速度降下来。第三步是着陆悬停,由于火箭回到原地的理想姿势是尾部向下,头部在上,因此还需发动机第三次点火,调整姿势,并给火箭一个反推力,使着陆时它的加速度与速度同时降为0。
为什么说火箭“回家”比火箭发射还要难?
最难的是“回得准”。“火箭下降过程中,随着燃料的消耗、速度的变化,需要输出不同大小的推力确保其平稳减速,这就要求火箭发动机必须精确、动态地调节推力,并具备多次起动的功能。”东方空间公司引力二号火箭总设计师黄帅强调,火箭能顺利返航,必须有一套精密算法仔细指点。
“落得稳”也不容易。火箭返航中,下降姿态、着陆角度都必须得到高精度控制,一旦着陆角度不对,火箭就可能倾覆,引发燃料外泄导致爆炸。这一难度就好比把筷子丢进瓶子,更何况这还是一根下降速度超过1000米/秒的巨型“筷子”。实际上,即便做到了着陆前有效减速,也要考虑到重达几十吨的火箭所带来的巨大惯性。要知道,火箭里有大量精密的电子元器件,要确保这些“宝贝”能够再次使用,必须点满它们的缓冲技能值。
7月21日,深蓝航天自主研制的星云一号火箭完成模拟高空回收飞行试验
还有个难点是“用得久”。深蓝航天副总经理郑泽介绍,可回收火箭要经受多次重复使用、多次再入大气层的考验,就需要采用强度高、耐高温而超轻薄的新型复合材料,攻克一系列材料性能难关,发动机等部件的可靠性要求尤高。此外,可重复使用的火箭,必须好保养,回收后简单检测维护就能满足再次发射要求。这方面也有许多评估检测的技术空白待填补。
探索不会止歇
中国火箭实现“有去有回”,还需要做什么?
“一方面,优化火箭发射的管理审批流程,平衡好安全与效率。另一方面,建设更多发射场、发射工位,包括陆地和海上回收发射平台,以适应更高频次的发射需求。”白国龙说,创造一个技术快速迭代、流程和成本不断优化的环境,这条登山路才有望更加顺畅。
火箭回收是困难的,但航天人的信心不磨。上海交通大学钱学森图书馆中,陈列着一个信封。1941年,钱学森在完成著名论文《柱壳轴压屈曲》之际,在收纳手稿的信封上用红笔写下“Final”(定稿)。搁笔时他突然意识到,“Final”也是“完结”:“对真理的追求,怎么会完结?”钱学森取过信封,又用黑笔写了一句“Nothing is final”(凡事皆无止境)。
黄帅说:“我们对火箭回收技术的探索同样永无止境。”