關(guān)于火箭回收，國內(nèi)或許有更大想象空間？

關(guān)于“可回收火箭”，雖然早已不是什么新鮮事，但卻是個持續(xù)上新的熱門話題。

近日，美國火箭公司——斯托克航天首次開展二級原型機(jī)著陸測試，在15秒的測試飛行中，火箭二級原型機(jī)上升到了大約9米的高度，然后穩(wěn)定著陸。

斯托克航天首次開展二級原型機(jī)著陸測試現(xiàn)場

（圖片來源于斯托克航天官方）

 該公司表示，本次試驗(yàn)證明了其在開發(fā)穩(wěn)定、快速可復(fù)用火箭方面技術(shù)的合理性，向開發(fā)完全可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭邁出重要一步。

 近年來，國內(nèi)外航天界各類火箭花式回收大法，乍一看確實(shí)令人眼花繚亂。在“通天”賽事中，各路英雄好漢摩拳擦掌，各顯神通。透過這番熱鬧景象，有必要回歸火箭回收的本質(zhì)，理一理當(dāng)下進(jìn)度條，看看國內(nèi)在可回收火箭方面有怎樣的期待空間。

   回收的盡頭一定是發(fā)射降本增效

“在星際航行的初始試驗(yàn)階段，飛行次數(shù)比較少，一次性的火箭這樣做還可以，但是對于未來的頻繁的發(fā)射來說，這就是浪費(fèi)，所以我們應(yīng)該想辦法把空的運(yùn)載火箭收回來。”早在1962年，錢學(xué)森撰寫的《星際航行概論》中就已經(jīng)明確提出了運(yùn)載火箭回收的設(shè)想。

 火箭回收花樣很多，但無論是整體回收，還是部分回收（火箭一級、助推器等），其終極目標(biāo)是一致的——將一次性“奢侈品”進(jìn)行循環(huán)利用，不斷降低發(fā)射成本。

 近十年來，火箭回收的大舞臺上，最活躍、最耀眼的非美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）莫屬。雖然不是火箭回收的開創(chuàng)者，但SpaceX的確用實(shí)際行動將技術(shù)逐漸成熟化和市場化。

 自2015年12月、2016年4月，獵鷹9號一級火箭分別實(shí)現(xiàn)全球首次軌道發(fā)射火箭陸地回收和首次海上回收以來，SpaceX研制的獵鷹運(yùn)載火箭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化可重復(fù)使用。

 就在北京時間9月24日，SpaceX公司使用一枚17手獵鷹九號火箭從卡納維拉爾角發(fā)射了第108批星鏈衛(wèi)星，這也是該公司第二次使用17手火箭。

9月24日SpaceX公司使用17手獵鷹九號火箭發(fā)射星鏈衛(wèi)星現(xiàn)場

（圖片來源于SpaceX官方）

 雖然火箭發(fā)射具體價(jià)格一般不對外公布，但從SpaceX創(chuàng)始人伊隆·馬斯克之前在一些公開場合的說法來判斷，獵鷹9號回收能夠節(jié)約大概70%的成本。

 近年來，歐盟、日本、俄羅斯、印度等都紛紛搶灘可回收火箭領(lǐng)域?；鸺厥占夹g(shù)成為航天大國激烈角逐的前沿陣地之一，也在一定程度上說明了該技術(shù)可能帶來的巨大成本壓縮空間。

 當(dāng)然，從另外一個角度而言，如果宣稱掌握了火箭回收技術(shù)，但并沒有體現(xiàn)在發(fā)射價(jià)格的優(yōu)勢方面，那意味著并沒有達(dá)到回收的真正目的。

 “垂直回收”是主流姿勢

 縱觀國內(nèi)外，目前火箭回收的主流方式有三種，分別為傘降回收、垂直回收、帶翼飛回。不同的回收方式具有不同特點(diǎn)，也意味著不同的“打怪升級”難度。

 降落傘垂直下降，即在火箭分離后先進(jìn)入返回地球大氣層的返回軌道，接著在低空采用降落傘減速，最后打開氣囊或用緩沖發(fā)動機(jī)著陸。比如，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的火神火箭，其一級發(fā)動機(jī)結(jié)束工作完成級間分離后，使用降落傘進(jìn)行減速，由直升機(jī)在空中實(shí)現(xiàn)回收。

 垂直回收是通過重啟一級火箭發(fā)動機(jī)以減速并調(diào)整至指定地點(diǎn)的回收方式。如獵鷹9號運(yùn)載火箭回收時，在該火箭一級火箭分離后，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)使一級火箭倒轉(zhuǎn)，隨后重啟發(fā)動機(jī)以反推火箭進(jìn)入預(yù)定返回軌道，進(jìn)入大氣層后通過柵格舵進(jìn)行減速，最后階段再次重啟發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直著陸。

帶翼飛回，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭像飛機(jī)一樣水平降落返回地面，但基本上仍停留在概念設(shè)計(jì)階段。

 對比而言，傘降回收難以控制著陸點(diǎn)，火箭落地后發(fā)動機(jī)也隨之報(bào)廢，與真正意義上的“回收利用”不是一個概念。

 垂直回收可實(shí)現(xiàn)包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的核心部件回收，商業(yè)應(yīng)用價(jià)值最高，但同時需要攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，比如返回最優(yōu)制導(dǎo)及落點(diǎn)精度控制，大氣層高效減速及姿態(tài)控制，發(fā)動機(jī)推力可調(diào)，高效著陸緩沖裝置等。

 國內(nèi)火箭回收或許有更大想象空間

 對于國內(nèi)蓬勃發(fā)展的民營商業(yè)火箭公司來說，可回收火箭的理念，幾乎被牢牢刻在了基因里，并且在實(shí)踐層面上也比較活躍。

 2019年8月，翎客航天進(jìn)行了公里級可回收火箭RLV-T5第3次發(fā)射及垂直回收試驗(yàn)，這也是我國民營火箭首次成功進(jìn)行的低空飛行回收試驗(yàn)。

 2022年6月，深藍(lán)航天“星云-M”1號縮比試驗(yàn)箭完成了1公里級垂直起降飛行試驗(yàn)，火箭最后降落至著陸場“靶心”位置不足0.5米的點(diǎn)位。

 ……

 探索的勇氣值得敬佩。不過，需要注意的是，以上距離真正意義的垂直起降回收試驗(yàn)都還有一定差異，起碼尚未實(shí)現(xiàn)全尺寸火箭的垂直起飛和降落。

 基于當(dāng)下國內(nèi)民營火箭情況分析，接下來非常值得期待的是星際榮耀自主研制的可重復(fù)使用小型液體運(yùn)載火箭雙曲線二號。

 說起具體期待點(diǎn)，必然繞不開該火箭的“推進(jìn)劑”，也就是燃料——液氧甲烷。

 雙曲線二號火箭一、二級都采用該公司自主研發(fā)的“焦點(diǎn)一號”15噸級可重復(fù)使用液氧甲烷液體火箭發(fā)動機(jī)，一子級具有垂直著陸回收功能，可重復(fù)使用20次以上。

 在一眾低溫推進(jìn)劑中，液氧甲烷因其比沖高、成本較低、清潔環(huán)保、維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適合發(fā)動機(jī)大規(guī)模生產(chǎn)和重復(fù)發(fā)射。同時，甲烷本身也便于在太空中長期貯存，亦具備火星等外星球原位生產(chǎn)的可能。正因?yàn)檫@些獨(dú)特優(yōu)勢，目前，液氧甲烷正在成為各國研究新一代可回收火箭動力系統(tǒng)的主流選擇，代表了航天主動力技術(shù)的發(fā)展方向。

 據(jù)了解，歐洲的普羅米修斯液氧甲烷發(fā)動機(jī)已經(jīng)被納入未來運(yùn)載器準(zhǔn)備計(jì)劃（FLPP），瞄準(zhǔn)2030年左右的發(fā)射市場，為歐洲運(yùn)載器的長期發(fā)展做好準(zhǔn)備。

 俄羅斯正在研究200噸級推力的RD-0162液氧甲烷發(fā)動機(jī)，計(jì)劃2030年前后投入使用。

 2023年7月12日，朱雀二號遙二火箭發(fā)射成功，成為世界首款成功將載荷送入預(yù)定軌道的液氧甲烷火箭。藍(lán)箭此前透露，可回收火箭項(xiàng)目已經(jīng)列上了日程，預(yù)計(jì)在2025年前后開始驗(yàn)證。

 而據(jù)星際榮耀此前公開信息，雙曲線二號已完成動力系統(tǒng)試車及全箭出廠測試等工作。從該公司4月份成功發(fā)射雙曲線一號遙六的節(jié)奏判斷，預(yù)計(jì)雙曲線二號垂直起降飛行試驗(yàn)指日可待。

雙曲線二號發(fā)動機(jī)試車測試現(xiàn)場

（圖片來源于星際榮耀官方）

 如果在不遠(yuǎn)的未來，雙曲線二號火箭垂直起降試驗(yàn)取得成功，必將具有重大突破意義。它將是我國首個、全球除SpaceX的“星艦”外第二個以液氧甲烷為燃料的全尺寸火箭子級回收試驗(yàn)取得成功。該飛行試驗(yàn)的成功能夠驗(yàn)證多項(xiàng)回收火箭的關(guān)鍵技術(shù)，證明中國航天成功攻克了可回收火箭的主要技術(shù)難關(guān)，距離航天強(qiáng)國又向前邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。