6月23日，中國在酒泉衛星發射中心完成重複使用運載火箭首次10公里級垂直起降飛行試驗。胡藍月攝

　　太空，浩瀚無垠。

　　從嫦娥奔月的傳說，到萊特兄弟的第一次飛行，再到第一顆衛星翱翔太空，人類一直都在追尋着飛天的夢想。

　　隨着科技的發展，漸漸地，人類有機會從仰望星空發展到探索宇宙，到太空中進行各項航天活動。

　　為了降低航天成本，各國科研人員積極探索，開創了可重複使用運載火箭這一領域。隨後，可重複使用技術漸漸成為各國競相追逐的技術熱點。

　　前不久，中國在酒泉衛星發射中心完成重複使用運載火箭首次10公里級垂直起降飛行試驗，試驗任務取得圓滿成功。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10公里級返回飛行中的首次應用，意義重大。

　　那麼，什麼是可重複運載火箭?其技術難點在哪裡?未來的應用前景如何?請看本期解讀。

　　運載火箭中的“環保款”

　　如今，火箭也推出了“環保款”——可重複使用運載火箭。

　　可重複使用運載火箭，是指從地面起飛、完成預定發射任務後，全部或部分返回並安全着陸，經過檢修、維護與燃料加注，可再次執行發射任務的火箭。

　　早在1962年，錢學森就在《星際航行概論》中明確提出了“回收運載火箭”的設想。他在書中寫道，在星際航行的初始試驗階段，運載火箭的飛行次數比較少，對於未來頻繁的發射來說，一次性的運載火箭就是浪費，所以我們應該想辦法把空的運載火箭收回來。

　　自20世紀50年代至今，世界航天科技迅速發展，已經進入了以大規模互聯網星座、太空資源開發與利用、載人月球探測和大規模深空探測等為代表的新階段。隨着人類進出空間需求的快速增長，作為人類進入空間的主要運輸方式，一次性運載火箭在發射成本、履約周期和產能需求等方面均面臨巨大挑戰，而發展可重複使用運載火箭能夠很好地解決以上問題，漸漸成為全球航天領域的共識。

　　相對於一次性使用運載火箭而言，可重複使用運載火箭的優點顯著。由於可以多次發射，可重複使用運載火箭大大降低了運載火箭的生產與發射成本，有效提升了航天活動的靈活性和響應速度。

　　提起可重複使用運載火箭，就不得不提到其背後的重要基礎技術之一——火箭垂直起降技術。

　　藉助火箭垂直起降技術，運載火箭可以在起飛和着陸過程中，通過控制氣體的噴射方向和火箭的姿態，實現航天器的垂直上升和下降，在發射後返回並安全着陸，從而達到重複使用的目的。

　　據悉，火箭垂直起降技術主要利用牛頓第三定律，即作用力和反作用力原理。通過向下噴射氣體，火箭能夠產生向上的反作用力，實現垂直上升。當火箭到達預定高度後，隨着氣體噴射方向發生變化，火箭開始向前飛行。在返回過程中，運載火箭再次調整姿態和噴氣方向，實現垂直下降並安全着陸。

　　目前，不少國家已經在這項技術領域發力，並取得了一定成績。

　　美國太空探索公司(SpaceX)的“獵鷹-9”火箭已經成功應用了火箭垂直起降技術，實現了火箭的第一級回收並重複使用，極大提升了人類進入空間能力，有效降低了發射成本。

　　俄羅斯國家航天集團公司負責人在2023年對外公布，將在2024年重啟“葉尼塞”重型火箭研製工作，並強調該火箭將具備重複使用能力。

　　今年6月，中國在酒泉衛星發射中心完成可重複使用運載火箭首次10公里級垂直起降飛行試驗，試驗任務取得圓滿成功。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10公里級返回飛行中的首次應用，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。

　　“起得來、控得准、展得開、落得穩”

　　6月23日下午1時許，酒泉衛星發射中心。直徑長3.8米的重複使用運載火箭新技術驗證箭豎立在場坪發射台上，隨着3台變推液氧甲烷發動機點火，試驗火箭噴出藍色尾焰，緩緩升空。

　　緊接着，火箭上升至距地面約12公里高度時，中心發動機調節推力，火箭受控下降，在距離地面50米處，4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。

　　整個試驗全程用時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5個階段，最終實現了“起得來、控得准、展得開、落得穩”。

　　事實上，研製可重複使用運載火箭，有許多技術難點需要克服。

　　發動機，被譽為火箭的心臟，是火箭的動力之源。研製可重複使用運載火箭的前提，首先要研製出能夠重複使用的發動機。

　　液氧甲烷發動機通過燃燒液態氧和甲烷產生推力，燃燒產物主要是二氧化碳和水，且維護成本相對較低，有利於發動機的重複使用。

　　這些特點使得液氧甲烷發動機成為可重複使用運載火箭的理想動力選擇。隨着液氧甲烷發動機技術的不斷成熟和應用，可重複使用運載火箭的發射成本將進一步降低，發射效率將得到提升，從而為未來的太空探索、衛星發射等任務提供更加經濟、高效的解決方案。

　　例如，中國自主研發的某系列可重複使用垂直起降回收驗證火箭，就採用了自主研製的液氧甲烷發動機作為動力源。該發動機的成功應用，不僅驗證了液氧甲烷發動機在可重複使用運載火箭中的可行性，也為中國可重複使用運載火箭的未來發展奠定了基礎。

　　此外，“高精度返回着陸”是可重複使用運載火箭的另一個技術難題。

　　這是因為，火箭在發射時需要克服地球引力，達到預定軌道。這一過程需要精確的導航和控制系統來確保火箭按照預定軌跡飛行。同時，在完成任務後，火箭需要返回地面，必須精準控制姿態和速度，確保能夠安全降落。而解決這一難題的關鍵，是高精度導航制導控制技術以及複雜的算法和實時計算的能力。

　　航天科技集團控制系統團隊在重複使用運載火箭前期懸停試驗基礎上，對控制系統進行了全面升級，能夠滿足高精度着陸控制需求。

　　垂直起降着陸緩衝技術是本次任務的又一關鍵技術。

　　航天科技集團相關科研人員告訴記者，為了讓4條着陸腿穩穩支撐火箭降落到地面，他們借鑑了飛機起落架系統的成熟技術，同時根據力學環境、熱流條件等飛行特點，進行了針對性的創新設計。據介紹，着陸緩衝系統是火箭軟着陸的關鍵，4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。該系統實現了國內首次“飛行鎖定、空中展開、觸地吸能”的技術驗證，確保了火箭在複雜環境下的安全着陸。

　　“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。”相關科研人員向記者介紹。

　　據悉，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再邁進一大步。

　　未來可期，帶動相關領域發展

　　國內外航天機構和企業對可重複使用運載火箭的態度，從質疑和觀望轉變為認同和跟隨，進而使得重複使用運載火箭在世界範圍內漸成大勢所趨。

　　可重複使用運載火箭最直接的優勢，是能大大降低太空探索的成本。這一優勢，或將使未來的太空旅遊不再遙不可及。

　　此外，作為航天技術的前沿課題，可重複使用運載火箭不僅是對現有運載火箭技術的深化與拓展，更是基於多年技術積累的一次飛躍性嘗試，將在資源開發、科學研究等領域產生重要影響。

　　從長征系列運載火箭，到快舟系列、穀神星系列、雙曲線系列等運載火箭，中國航天事業技術積累深厚，應用較為成熟。

　　通過不斷的技術創新與實踐，我們期望將主流運載火箭的成功經驗轉化為可重複使用運載火箭的實際應用，從而實現航天發射成本的顯著降低、發射效率的大幅提升，以及航天資源更加合理的利用。比如，中國朱雀二號火箭成功將有效載荷送入指定軌道，在液氧甲烷火箭等關鍵技術上取得突破。

　　另外，可重複使用運載火箭也將有助於促進材料性能的提高。

　　比如，在往返地球時，運載火箭會經歷極高的溫度和劇烈的空氣摩擦，這對熱防護系統提出了嚴峻挑戰。重返大氣層時，火箭外殼需要承受數千攝氏度的高溫。如果熱防護系統設計不當，火箭的結構可能會因高溫而損壞，無法回收。

　　這一現實需要，有助於促進熱防護方面材料性能的提高。高分子聚酰亞胺泡沫材料能夠在350℃的高溫環境下長期穩定工作，有效阻隔熱量傳遞，保護火箭內部設備。在這次重複使用火箭試驗中，該材料被用於火箭頭部和發動機周圍的隔熱層，確保了關鍵部位在高溫環境下的正常運行。

　　未來，隨着需求不斷增加，天地往返將變得越來越頻繁，組合動力單級入軌或天梯等新型運輸方式也將變成現實，太空探索將變得更加便捷、經濟。中國將持續積極推進可重複使用運載火箭的研製工作，提升航天運輸系統綜合性能，拓展便利進出空間能力，加速實現運載火箭升級換代，推動航天強國建設。