箭星分離
二級(jí)點(diǎn)火
第一步
箭體分離、姿態(tài)調(diào)整
第二步
減速
第三步
著陸懸停
中國(guó)人對(duì)太空的向往已有數(shù)千年，眾多飛天神話見證著這一夢(mèng)想。而今，中國(guó)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(yàn)——火箭回收，依舊是中國(guó)火箭人面前的一道險(xiǎn)關(guān)。
事實(shí)上，今年國(guó)產(chǎn)大火箭的回收探索已經(jīng)提速。最近，由航天科技集團(tuán)八院研制的重復(fù)使用運(yùn)載火箭新技術(shù)驗(yàn)證箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功進(jìn)行了10公里級(jí)飛行試驗(yàn)。藍(lán)箭航天實(shí)施10公里垂直起降飛行試驗(yàn)在即，深藍(lán)航天也即將迎來“星云-1”火箭一子級(jí)5公里垂直起降試驗(yàn)……幾乎每個(gè)月，中國(guó)火箭就有一個(gè)回收“大動(dòng)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(diǎn)火！”的口令，火箭騰空而起，沖上云霄。這是大多數(shù)人對(duì)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。
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(hào)”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(shí)際上，“中國(guó)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(yùn)輸火箭，不論第一級(jí)的大火箭也好，第二級(jí)的小火箭也好，只要加上翅膀，是能夠飛回地面的，所以運(yùn)輸火箭是可以用許許多多次的。”
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。“火箭回收是直接降低發(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(jī)’一樣浪費(fèi)。當(dāng)火箭實(shí)現(xiàn)回收后，它就能像飛機(jī)一樣多次起降飛行，把成本越攤越薄。”中國(guó)宇航協(xié)會(huì)成員、航天科普博主“神仙號(hào)船長(zhǎng)”白國(guó)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(kuò)容的希望所在。傳統(tǒng)火箭發(fā)射必須留出至少兩個(gè)月的準(zhǔn)備期，還得緊盯時(shí)間窗口“看天吃飯”。“可回收火箭不同，僅需簡(jiǎn)單修復(fù)維護(hù)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(jìn)入太空的能力，大規(guī)模的太空探索與開發(fā)就有了可能。”深藍(lán)航天創(chuàng)始人霍亮說。
此外，可回收火箭的運(yùn)力升級(jí)，有助于太空探索整體提質(zhì)。“當(dāng)前，大型星座組網(wǎng)尤其需要大運(yùn)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(guó)互聯(lián)網(wǎng)星座工程戰(zhàn)略。”藍(lán)箭航天火箭研發(fā)部總經(jīng)理、朱雀三號(hào)總指揮戴政說。
回收火箭分幾步？
路線圖是簡(jiǎn)明清晰的，但化圖紙為現(xiàn)實(shí)卻異常艱難。
一枚傳統(tǒng)火箭由兩級(jí)組成，一級(jí)在下，二級(jí)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(jí)、二級(jí)分離后，二級(jí)進(jìn)入預(yù)定軌道，原本只能自毀的一級(jí)返回發(fā)射原地的過程。簡(jiǎn)言之，火箭“回收”，現(xiàn)階段意味著一級(jí)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(diǎn)火發(fā)射的火箭，上升到100多公里高度后，一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，二級(jí)與一級(jí)分離。一級(jí)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(jìn)入返航過程，速度很快，此時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)第二次點(diǎn)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(shì)是尾部向下，頭部在上，因此還需發(fā)動(dòng)機(jī)第三次點(diǎn)火，調(diào)整姿勢(shì)，并給火箭一個(gè)反推力，使著陸時(shí)它的加速度與速度同時(shí)降為0。
回收火箭有幾難？
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)”。“火箭下降過程中，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(dòng)機(jī)必須精確、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)推力，并具備多次起動(dòng)的功能。”東方空間公司引力二號(hào)火箭總設(shè)計(jì)師黃帥強(qiáng)調(diào)，火箭能順利返航，必須有一套精密算法仔細(xì)指點(diǎn)。
“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(duì)，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(jìn)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(shí)際上，即便做到了著陸前有效減速，也要考慮到重達(dá)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(diǎn)滿它們的緩沖技能值。
還有個(gè)難點(diǎn)是“用得久”。深藍(lán)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(yàn)，就需要采用強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(jiǎn)單檢測(cè)維護(hù)就能滿足再次發(fā)射要求。這方面也有許多評(píng)估檢測(cè)的技術(shù)空白待填補(bǔ)。（據(jù)新華社電）
6月23日，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成重復(fù)使用運(yùn)載火箭首次10公里級(jí)垂直起降飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)任務(wù)取得圓滿成功。
（中國(guó)航天科技集團(tuán)八院供圖）
