垂直起降、伞降回收、有翼水平回收……可回收火箭有哪些技术路径

-2024-06/2414:53

【环球时报特约记者 晨阳】据中国航天科技集团介绍，6月23日，我国重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验圆满成功，这是目前国内重复使用运载火箭最大规模的垂直起降飞行试验，也是国内自主研制的深度变推液氧甲烷发动机在十公里级返回飞行中的首次应用。这次试验的成功，还为中国2025年如期实现4米级重复使用运载火箭首飞奠定了技术基础。近年来，可重复使用火箭被视为降低航天发射成本的最有效途径，几条相关技术路径都受到各国的重视。

成功测试一系列关键技术

6月23日下午1时许，在酒泉卫星发射中心，3.8米直径的重复使用运载火箭新技术验证箭竖立在场坪发射台上，3台变推液氧甲烷发动机点火，喷出蓝色尾焰，箭体上升至约12公里高度，中心发动机调节推力，火箭受控下降，在距离地面50米处，四条着陆腿展开，随后火箭缓速下降，高度趋近于零，稳稳落在回收场坪，实现定点垂直软着陆。

中国重复使用运载火箭新技术验证箭

报道称，试验全程用时6分钟左右，火箭经历了加速上升、减速上升、加速下降、减速下降、缓速下降五个阶段，实现“起得来、控得准、展得开、落得稳”。试验全面验证了3.8米直径箭体结构、大承载着陆缓冲技术、大推力强变推可复用发动机技术、双低温增压输送技术、返回着陆的高精度导航制导控制技术及健康监测技术，为2025年如期实现4米级重复使用运载火箭首飞奠定了技术基础。本次试验是目前国内重复使用运载火箭最大规模的垂直起降飞行试验，也是国内自主研制的深度变推液氧甲烷发动机在十公里级返回飞行中的首次应用。

本次试验飞行剖面的顶点为海拔约12公里的平流层。后续研制团队将开展重复使用运载火箭70公里级垂直起降试验，基本覆盖火箭一子级飞行剖面，向着重复使用运载火箭首飞目标迈进。

不同技术路径各有所长

当前，世界各国都在大力发展重复使用运载火箭，除了垂直起降回收外，还有伞降回收、伞降加气囊、有翼水平回收等方案，它们各有所长。

据介绍，垂直起降回收是在火箭原有外形上进行改进，增加了栅格舵、返回控制系统、着陆缓冲系统等，使火箭一子级得以重复利用，进一步降低人类进出太空的经济成本。火箭想实现垂直起降回收，使用的发动机必须具备两个关键的基本能力：多次启动和大范围推力调节。例如美国太空探索技术公司（SpaceX）研制的“猎鹰9”号运载火箭在起飞和回收过程中，发动机总共要经历3-4次点火，通过频繁的点火启动并调节推力大小，控制火箭飞行的速度和姿态，以便最终实现以合适的速度垂直降落在指定位置。此外，最后着陆时的缓冲系统是火箭软着陆的关键，四条着陆腿里的缓冲器可以吸收掉箭体着陆时的动能和势能，使火箭平稳着陆。

俄罗斯“贝加尔”号火箭助推器采用有翼水平回收方案

目前美国航天企业SpaceX和蓝色起源公司都已经掌握了火箭的垂直起降回收技术。在国内，民营航天企业深蓝航天的“星云-M”1号试验火箭于2021年7月率先完成高度10米的火箭垂直回收飞行试验；2024年1月，蓝箭航天的朱雀三号VTVL-1可重复使用垂直起降回收验证火箭首次试飞成功完成300米级别飞行。但美国“太空”网站承认，为了确保火箭第一级回收，必然要保留一定的推进剂，会导致火箭损失不少运载能力。例如“猎鹰9”号火箭在回收模式下会损失最大运载能力的40%。

伞降回收和伞落加气囊回收方式与回收飞船返回舱和返回式卫星类似，即火箭第一二级分离后，先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道，接着在低空采用降落伞减速，最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。我国在2015年就进行了高空热气球投放试验，验证了有关技术。

相比之下，有翼水平回收是给火箭装上可控翼伞，加上小型控制系统，使它分离后能像类似翼装飞行一样调整角度，利用卫星导航像飞机一样水平降落返回地面。这种方案又分为有动力和无动力两种，后者完全依靠翼身的气动力滑翔飞行（与美国航天飞机着陆类似），而前者是采用装有喷气发动机的翼式飞行体，在返回地面过程中启动喷气发动机进行巡航机动飞行，可实现更大范围的回收区选择（与苏联“暴风雪”号航天飞机着陆类似）。

火箭回收技术代表未来方向

“太空”网站称，随着商业航天发射市场的高速发展，如何降低发射成本成为当前航天领域最迫切的需求。尽管存在不同的技术路径，但SpaceX的“猎鹰9”号运载火箭采用的垂直起降回收成功经验，成为各国借鉴的主要目标。报道称，发动机是运载火箭最昂贵的部分。在火箭制造成本中，发动机的造价往往占到一半以上。通过火箭回收，发动机可实现重复使用，从而能够极大降低发射成本。同时，重复使用的火箭还可以进一步提升发射频率。因为以往运载火箭都是一次性的，发射完成后需要重新制造全新的火箭，而可重复使用火箭只需完成检修后，就能继续执行任务。相关统计显示，美国常规火箭发射成本为每公斤1万-2万美元，“猎鹰9”号实现一级火箭回收后，成本骤减至约每公斤2000美元。如今SpaceX还在研究二级推进器的回收，例如组成“星舰”超重型火箭的“超重型火箭”和“星舰”飞船各自都可以回收，预计技术成熟后，其发射成本还将大幅降低。

美国“电子”号火箭采用伞降海面回收方案

值得注意的是，“猎鹰9”号运载火箭使用的是液氧煤油发动机，由于煤油燃烧时会在发动机内部造成积碳结焦，回收后必须对发动机进行彻底清洗才能继续使用。而中国在这次试验中使用液氧甲烷发动机作为动力。低温的液氧甲烷推进剂在充分燃烧后只产生水和二氧化碳，在火箭发动机上的残留物极为稀少，这为可回收火箭减轻了很大的后勤维护工作量，有利于重复使用。同时甲烷制取成本比较低，可适应火箭商业化发展方向。

此外，对于中国而言，采用火箭回收技术还可以进一步降低发射风险。我国目前的四大航天发射中心中，除了海南文昌发射中心外，其他三处发射中心在执行任务时，都需要提前疏散火箭落区的居民。近年来，随着社会经济的发展，无人区越来越少，火箭落区选择难度不断增加。而火箭实现回收后，子级可以准确落在指定区域，火箭残骸对落区的安全威胁也随之消失。