垂直起降、傘降回收、有翼水平回收……可回收火箭有哪些技術路徑

-2024-06/2414:53

【環球時報特約記者 晨陽】據中國航天科技集團介紹，6月23日，我國重複使用運載火箭首次10公里級垂直起降飛行試驗圓滿成功，這是目前國內重複使用運載火箭最大規模的垂直起降飛行試驗，也是國內自主研製的深度變推液氧甲烷發動機在十公里級返回飛行中的首次應用。這次試驗的成功，還為中國2025年如期實現4米級重複使用運載火箭首飛奠定了技術基礎。近年來，可重複使用火箭被視為降低航天發射成本的最有效途徑，幾條相關技術路徑都受到各國的重視。

成功測試一系列關鍵技術

6月23日下午1時許，在酒泉衛星發射中心，3.8米直徑的重複使用運載火箭新技術驗證箭豎立在場坪發射台上，3台變推液氧甲烷發動機點火，噴出藍色尾焰，箭體上升至約12公里高度，中心發動機調節推力，火箭受控下降，在距離地面50米處，四條着陸腿展開，隨後火箭緩速下降，高度趨近於零，穩穩落在回收場坪，實現定點垂直軟着陸。

中國重複使用運載火箭新技術驗證箭

報道稱，試驗全程用時6分鐘左右，火箭經歷了加速上升、減速上升、加速下降、減速下降、緩速下降五個階段，實現“起得來、控得准、展得開、落得穩”。試驗全面驗證了3.8米直徑箭體結構、大承載着陸緩衝技術、大推力強變推可復用發動機技術、雙低溫增壓輸送技術、返回着陸的高精度導航制導控制技術及健康監測技術，為2025年如期實現4米級重複使用運載火箭首飛奠定了技術基礎。本次試驗是目前國內重複使用運載火箭最大規模的垂直起降飛行試驗，也是國內自主研製的深度變推液氧甲烷發動機在十公里級返回飛行中的首次應用。

本次試驗飛行剖面的頂點為海拔約12公里的平流層。後續研製團隊將開展重複使用運載火箭70公里級垂直起降試驗，基本覆蓋火箭一子級飛行剖面，向着重複使用運載火箭首飛目標邁進。

不同技術路徑各有所長

當前，世界各國都在大力發展重複使用運載火箭，除了垂直起降回收外，還有傘降回收、傘降加氣囊、有翼水平回收等方案，它們各有所長。

據介紹，垂直起降回收是在火箭原有外形上進行改進，增加了柵格舵、返回控制系統、着陸緩衝系統等，使火箭一子級得以重複利用，進一步降低人類進出太空的經濟成本。火箭想實現垂直起降回收，使用的發動機必須具備兩個關鍵的基本能力：多次啟動和大範圍推力調節。例如美國太空探索技術公司（SpaceX）研製的“獵鷹9”號運載火箭在起飛和回收過程中，發動機總共要經歷3-4次點火，通過頻繁的點火啟動並調節推力大小，控制火箭飛行的速度和姿態，以便最終實現以合適的速度垂直降落在指定位置。此外，最後着陸時的緩衝系統是火箭軟着陸的關鍵，四條着陸腿里的緩衝器可以吸收掉箭體着陸時的動能和勢能，使火箭平穩着陸。

俄羅斯“貝加爾”號火箭助推器採用有翼水平回收方案

目前美國航天企業SpaceX和藍色起源公司都已經掌握了火箭的垂直起降回收技術。在國內，民營航天企業深藍航天的“星雲-M”1號試驗火箭於2021年7月率先完成高度10米的火箭垂直回收飛行試驗；2024年1月，藍箭航天的朱雀三號VTVL-1可重複使用垂直起降回收驗證火箭首次試飛成功完成300米級別飛行。但美國“太空”網站承認，為了確保火箭第一級回收，必然要保留一定的推進劑，會導致火箭損失不少運載能力。例如“獵鷹9”號火箭在回收模式下會損失最大運載能力的40%。

傘降回收和傘落加氣囊回收方式與回收飛船返回艙和返回式衛星類似，即火箭第一二級分離後，先進行空中制動變軌進入返回地球大氣層的返回軌道，接着在低空採用降落傘減速，最後打開氣囊或用緩衝發動機着陸。我國在2015年就進行了高空熱氣球投放試驗，驗證了有關技術。

相比之下，有翼水平回收是給火箭裝上可控翼傘，加上小型控制系統，使它分離後能像類似翼裝飛行一樣調整角度，利用衛星導航像飛機一樣水平降落返回地面。這種方案又分為有動力和無動力兩種，後者完全依靠翼身的氣動力滑翔飛行（與美國航天飛機着陸類似），而前者是採用裝有噴氣發動機的翼式飛行體，在返回地面過程中啟動噴氣發動機進行巡航機動飛行，可實現更大範圍的回收區選擇（與蘇聯“暴風雪”號航天飛機着陸類似）。

火箭回收技術代表未來方向

“太空”網站稱，隨着商業航天發射市場的高速發展，如何降低發射成本成為當前航天領域最迫切的需求。儘管存在不同的技術路徑，但SpaceX的“獵鷹9”號運載火箭採用的垂直起降回收成功經驗，成為各國借鑑的主要目標。報道稱，發動機是運載火箭最昂貴的部分。在火箭製造成本中，發動機的造價往往占到一半以上。通過火箭回收，發動機可實現重複使用，從而能夠極大降低發射成本。同時，重複使用的火箭還可以進一步提升發射頻率。因為以往運載火箭都是一次性的，發射完成後需要重新製造全新的火箭，而可重複使用火箭只需完成檢修後，就能繼續執行任務。相關統計顯示，美國常規火箭發射成本為每公斤1萬-2萬美元，“獵鷹9”號實現一級火箭回收後，成本驟減至約每公斤2000美元。如今SpaceX還在研究二級推進器的回收，例如組成“星艦”超重型火箭的“超重型火箭”和“星艦”飛船各自都可以回收，預計技術成熟後，其發射成本還將大幅降低。

美國“電子”號火箭採用傘降海面回收方案

值得注意的是，“獵鷹9”號運載火箭使用的是液氧煤油發動機，由於煤油燃燒時會在發動機內部造成積碳結焦，回收後必須對發動機進行徹底清洗才能繼續使用。而中國在這次試驗中使用液氧甲烷發動機作為動力。低溫的液氧甲烷推進劑在充分燃燒後只產生水和二氧化碳，在火箭發動機上的殘留物極為稀少，這為可回收火箭減輕了很大的後勤維護工作量，有利於重複使用。同時甲烷製取成本比較低，可適應火箭商業化發展方向。

此外，對於中國而言，採用火箭回收技術還可以進一步降低發射風險。我國目前的四大航天發射中心中，除了海南文昌發射中心外，其他三處發射中心在執行任務時，都需要提前疏散火箭落區的居民。近年來，隨着社會經濟的發展，無人區越來越少，火箭落區選擇難度不斷增加。而火箭實現回收後，子級可以準確落在指定區域，火箭殘骸對落區的安全威脅也隨之消失。