近日，“雙曲線二號”完成了國內(nèi)首次液體火箭全尺寸一子級垂直起降與復(fù)用飛行試驗(yàn)，“天龍三號”等可回收復(fù)用火箭的首飛計(jì)劃也陸續(xù)公布。可回收復(fù)用火箭需要解決哪些技術(shù)難題？縱觀國內(nèi)外型號，有望選用哪些設(shè)計(jì)方案？它們各自具備怎樣的優(yōu)缺點(diǎn)呢？

我國“雙曲線二號”進(jìn)行一子級回收試驗(yàn)

轉(zhuǎn)變思路 要求較高

火箭回收復(fù)用可以顯著降低綜合成本，受到了國內(nèi)外航天科研人員青睞。不過，這個目標(biāo)對于火箭發(fā)展思路轉(zhuǎn)變和技術(shù)手段升級都提出了更高的要求，需解決一系列難題。

可回收復(fù)用火箭的構(gòu)型傾向于簡化設(shè)計(jì)，大致可分為兩類：第一級（起飛級）回收以及第一級、第二級（軌道級）全回收。其中，火箭第一級的關(guān)機(jī)速度約為2000米/秒～3000米/秒，承受氣動加熱相對沒那么嚴(yán)重，而且自身結(jié)構(gòu)尺寸較大，高價(jià)值元器件較多，實(shí)現(xiàn)回收復(fù)用的代價(jià)較小，有望帶來更大的收益。而火箭第二級高速入軌的過程中，氣動加熱劇烈，受到較嚴(yán)苛的質(zhì)量限制，實(shí)現(xiàn)回收復(fù)用的難度和代價(jià)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一級。因此，各方研究的火箭回收復(fù)用方案多數(shù)針對第一級。

當(dāng)然，火箭第一級回收復(fù)用仍不是簡單的工作。首先需要明確，火箭回收復(fù)用不是目的，而是節(jié)約成本的手段，必然會付出損失運(yùn)力的代價(jià)，因此科研人員需要認(rèn)真權(quán)衡設(shè)計(jì)方案的效費(fèi)比，滿足一定的效益標(biāo)準(zhǔn)，并且盡量縮短火箭復(fù)用發(fā)射周期。如果火箭總體性能較差或構(gòu)型選取不佳，導(dǎo)致回收復(fù)用收益降低，那么這種“純粹的技術(shù)成就”是缺乏現(xiàn)實(shí)意義的。

其次，火箭回收復(fù)用對于構(gòu)型、動力系統(tǒng)等都提出了更高的要求。比如，為了降低復(fù)雜性，大多數(shù)可回收復(fù)用火箭選擇兩級“光桿”設(shè)計(jì)，第一級將多臺發(fā)動機(jī)集成到一個模塊中，希望簡化制造、組裝過程，因此對發(fā)動機(jī)的可包絡(luò)性和承力結(jié)構(gòu)提出了新要求。獵鷹9火箭第一級的8臺發(fā)動機(jī)環(huán)繞1臺布局就屬于新嘗試。

再比如，傳統(tǒng)火箭第一級對質(zhì)量不太敏感，而可回收復(fù)用火箭為了獲得較大收益，要求第一級進(jìn)行較大幅度地減重。受限于第一級的返回速度限制，火箭第二級需要提供的速度增量更多，因此必須同步提高性能，為此增加的成本不宜超過第一級回收復(fù)用的收益。

最后，火箭第一級有必要在反推力發(fā)動機(jī)、降落傘等技術(shù)手段輔助下精確返回預(yù)定落區(qū)，高精度導(dǎo)航必不可少，克服氣動加熱的耐燒蝕箭體材料不可或缺，對箭載計(jì)算機(jī)、推進(jìn)劑分配系統(tǒng)等性能也提出了更高的要求。

三路并進(jìn) 各有優(yōu)劣

當(dāng)前，國內(nèi)外在火箭第一級回收方案上主要有3種技術(shù)途徑：降落傘回收、滑翔回收和垂直起降回收。三者各有優(yōu)劣，具體選擇哪種方式，科研人員需根據(jù)技術(shù)積累和追求目標(biāo)而定。

事實(shí)上，降落傘回收是最傳統(tǒng)的火箭回收復(fù)用方案。火箭第一級分離后，通過氣動加熱、振動等重重考驗(yàn)，展開降落傘減速，最終或在海上濺落，或借助著陸腿和氣囊，安穩(wěn)落地，或由直升機(jī)從空中抓取。美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司的電子號火箭是商業(yè)化應(yīng)用降落傘回收方案的典型案例。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，火箭運(yùn)力損失較小。缺點(diǎn)是開傘后火箭第一級控制能力較差，導(dǎo)致著陸地區(qū)域的隨機(jī)性較大。此外，海上濺落需克服鹽霧腐蝕難題，陸上著陸需配備質(zhì)量、沖擊力較大的著陸腿，直升機(jī)空中抓取則極大限制了火箭尺寸，導(dǎo)致大中型火箭難以采用該方案。

此前，該方案多用于回收固體火箭和航天飛機(jī)助推器。電子號火箭得益于碳纖維箭體和電泵發(fā)動機(jī)，質(zhì)量控制較好，受海水影響相對較小，因此使用了降落傘回收方案。

美國電子號火箭第一級利用降落傘回收

帶翼火箭回收在20世紀(jì)90年代一度成為熱門，被視為航天飛機(jī)或空天飛機(jī)的過渡方案，性能優(yōu)勢明顯。但該方案要求發(fā)射國家擁有廣袤的國土，以便火箭返回機(jī)場，綜合成本較高，而增裝的可折疊機(jī)翼質(zhì)量較大，難免會給火箭結(jié)構(gòu)研制帶來挑戰(zhàn)，可靠性面臨考驗(yàn)。另外，該方案需同時兼顧傳統(tǒng)火箭和飛機(jī)兩種運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，始終未成為火箭主流回收方式。俄羅斯曾經(jīng)提出過多種類似的火箭滑翔回收方案，但均未實(shí)用化。

火箭垂直起降回收是近年來逐漸形成的發(fā)展趨勢。簡單地說，火箭第一級在分離后預(yù)留一些燃料，主發(fā)動機(jī)在下落過程中再次開機(jī)，確保火箭第一級降落到海上平臺或陸上著陸場。該方案使火箭第一級實(shí)現(xiàn)了寬域定點(diǎn)回收，便于迅速入廠翻修，經(jīng)濟(jì)性較好。

與之相對應(yīng)的是，該方案需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制和較高水平的技術(shù)投入，克服一系列新問題，包括火箭第一在無動力滑行段的推進(jìn)劑管理、發(fā)動機(jī)多次啟動和大范圍變推力性能、無火工多次點(diǎn)火方式等，實(shí)現(xiàn)難度較大。

值得注意的是，火箭垂直起降回收方案普遍不具備懸停能力，依賴承力較大的著陸腿抗衡著陸沖擊，風(fēng)險(xiǎn)不小。目前，一些地面助降系統(tǒng)正在研發(fā)中，嘗試應(yīng)用繩網(wǎng)捕獲技術(shù)等，取代著陸腿，有望改善回收的可靠性。

美國獵鷹重型火箭的兩枚助推器垂直著陸回收

此外，在一些新型可回收復(fù)用火箭上，全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)將取代燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動機(jī)，進(jìn)一步提升火箭運(yùn)力。不過，全流量補(bǔ)燃循環(huán)屬于強(qiáng)耦合系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)時序調(diào)整的精度要求極高，因此真正投入使用仍需一些時間。

解放思路 追求極限

為了追求更高的性能和更大的收益，一些航天企業(yè)提出了更加激進(jìn)的火箭兩級全復(fù)用方案。考慮到軌道返回速度高達(dá)25馬赫，使用類似回收火箭第一級的直接再入模式顯然是行不通的，必須通過增設(shè)非燒蝕隔熱結(jié)構(gòu)，保障火箭第二級安全地高速再入。

其實(shí)，科研人員設(shè)計(jì)火箭第二級回收復(fù)用方案時，可以適當(dāng)參考航天飛機(jī)和空天飛行器的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。航天飛機(jī)累計(jì)134次軌道再入，133次成功返回，但其使用的增強(qiáng)型碳-碳隔熱瓦耐撞擊性、可替換性差，成為致命缺陷。X-37B空天飛行器吸取教訓(xùn)，選擇了整體增韌抗氧化復(fù)合材料，擁有更高的耐受溫度和強(qiáng)度。

不過，火箭的大部分容積和質(zhì)量用于推進(jìn)劑，第二級返回時近似“空載”狀態(tài)，如果配備機(jī)翼和大量防熱結(jié)構(gòu)，運(yùn)載效率將難以接受。因此，一些小尺寸的火箭第二級可以考慮帶翼滑翔返回方案，大多數(shù)新一代火箭必須應(yīng)用新體制的耐熱和返回結(jié)構(gòu)。

對此，各方給出了不同的新思路。SpaceX公司考慮到超高速再入所帶來的熱負(fù)荷超出了碳纖維或傳統(tǒng)鋁鋰合金的耐受范圍，為“星艦”選定不銹鋼箭體，并敷設(shè)模塊化輕質(zhì)隔熱瓦，便于低成本快速替換。“星艦”第二級返回流程復(fù)雜，先進(jìn)行半彈道再入，借助配平翼調(diào)整俯仰，在著陸前“抬頭”，啟動發(fā)動機(jī)減速，最終垂直著陸。這對推進(jìn)劑管控工作和發(fā)動機(jī)寬域進(jìn)口點(diǎn)火能力都提出了空前的考驗(yàn)，因此“星艦”應(yīng)用了頭部小儲罐，希望避免氣液晃動造成的發(fā)動機(jī)入口“夾氣”問題，不惜損失部分性能，確保發(fā)動機(jī)可靠地點(diǎn)火。

還有一些航天公司選擇了主動冷卻方案，也就是在火箭第二級上應(yīng)用了液氫再生冷卻隔熱措施，加熱的氫氣直接流入發(fā)動機(jī)。美國宇航局和一些公司測試了柔性充氣式熱盾，有可能用于火星著陸器，也可以用于回收火箭第二級。不過，這種“氣墊”在本質(zhì)上屬于軌道級降落傘，或許下降的過程中需要由直升機(jī)空中捕獲。至于提高火箭第二級回收復(fù)用的經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)探索仍在繼續(xù)。

從獵鷹9火箭到“星艦”，從奮力攻關(guān)的試驗(yàn)火箭到大膽探索的新一代可回收復(fù)用火箭方案，更高效益、更高周轉(zhuǎn)效率的航天運(yùn)輸“新畫卷”正在徐徐展開。為了追求高回報(bào)率，運(yùn)載火箭的傳統(tǒng)理念逐漸被更新，引導(dǎo)著新技術(shù)、新工藝廣泛投入實(shí)用化。火箭復(fù)用不易，未來前景無限。（作者：張晨 圖片來源：星際榮耀公司、火箭實(shí)驗(yàn)室公司、SpaceX公司 把關(guān)專家：中國航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）

來源: 中國航天報(bào)

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