【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 高天偉】

2024年6月23日，由我國航天科技集團(tuán)八院研制的重復(fù)使用運(yùn)載火箭新技術(shù)驗證箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功進(jìn)行了10公里級飛行試驗。

試驗中，火箭由3臺變推液氧甲烷發(fā)動機(jī)推動，上升至約12公里高度，關(guān)閉兩側(cè)發(fā)動機(jī)，中心發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)推力，火箭受控下降，在距離地面50米處，四條著陸腿展開，隨后火箭緩速下降，高度趨近于零，穩(wěn)穩(wěn)落在回收場坪，實現(xiàn)定點(diǎn)垂直軟著陸，試驗取得圓滿成功！航天科技集團(tuán)評價本次試驗“為2025年如期實現(xiàn)4米級重復(fù)使用運(yùn)載火箭首飛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?！?

我們?yōu)槭裁匆l(fā)展可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的驗證箭？我國什么時候能出現(xiàn)類似美國獵鷹9號的“完全體”可回收復(fù)用火箭？行業(yè)競爭與合作格局如何？這篇文章就來簡要探討下。

早在上世紀(jì)六十年代初期，包括錢學(xué)森在內(nèi)的航天科學(xué)家就已經(jīng)通過嚴(yán)密論證，指出火箭回收復(fù)用可以極大提高周轉(zhuǎn)效率、降低成本。但由于計算能力、材料、氣動、控制、工藝乃至決策、管理等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展暫未達(dá)到理想水平，工程實踐并非一帆風(fēng)順。例如上世紀(jì)70年代美國研制的航天飛機(jī)，設(shè)計上僅外部主燃料箱為一次性產(chǎn)品、不拋棄任何發(fā)動機(jī)，其復(fù)用程度在已經(jīng)實現(xiàn)入軌的航天器當(dāng)中，至今無人能出其右，但由于研制方嚴(yán)重低估了產(chǎn)品綜合成本，項目入不敷出，最終航天飛機(jī)于2011年在剩余大量理論壽命的情況下退役。

退役的美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)，現(xiàn)陳列于美國洛杉磯加州科技博物館。

2010年之后，火箭回收復(fù)用技術(shù)終于取得實用性突破。例如美國SpaceX主力載具獵鷹9號火箭，其一級在完成任務(wù)后，可以調(diào)整姿態(tài)并數(shù)次點(diǎn)火，以垂直姿態(tài)在陸地或者拖船上著陸，并經(jīng)檢修后復(fù)用。截至目前，單個箭體已經(jīng)創(chuàng)造飛行21次記錄。SpaceX憑借僅僅十余枚一級箭體，在2023年進(jìn)行了96次入軌發(fā)射，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全球任何其它國家或者商業(yè)航天實體；而運(yùn)力近20噸的單箭報價降低至5000余萬美元，幾乎全球最低。除了SpaceX以外，美國藍(lán)色起源公司也實現(xiàn)了飛行高度100公里的箭體復(fù)用，用于服務(wù)新謝潑德號亞軌道載人飛船。

SpaceX獵鷹9號火箭

箭體垂直回收是控制、結(jié)構(gòu)、動力、氣動、導(dǎo)航、通信等不同專業(yè)深度融合、密切關(guān)聯(lián)、牽一發(fā)而動全身的技術(shù)，且最近10年才得到全面發(fā)展，全球技術(shù)積累較少。為了以較低成本、從易到難、由主到次地驗證相關(guān)設(shè)計，SpaceX于2012年首飛了名為“蚱蜢”的垂直起降驗證箭，由燃料貯箱、1臺獵鷹9號火箭使用的梅林1D發(fā)動機(jī)以及固定式著陸支腿組成。2012年至2013年在新墨西哥州試驗場，該箭先后進(jìn)行了8次成功的垂直起降試驗，飛行高度從1.8米逐漸遞增至744米。隨后，SpaceX又研制了換用真實箭體、發(fā)動機(jī)增加到3臺并改用可收放式著陸支腿的獵鷹9R Dev1驗證箭，并于2014年進(jìn)行了4次試飛。受益于這些前期測試， SpaceX終于在2015年12月21日首次成功回收一級箭體。

獵鷹9R Dev1驗證箭

參考SpaceX的做法，我國企業(yè)也選擇了“由驗證箭起步”的技術(shù)路線，并且出手即不凡。以6月23日試驗為例，航天八院產(chǎn)品首飛即跳過“蚱蜢”階段直達(dá)獵鷹9R Dev1水平，這也是 “為2025年如期實現(xiàn)4米級重復(fù)使用運(yùn)載火箭首飛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)”的信心由來。今年內(nèi)，試驗箭還計劃開展75公里高度、模擬一級箭體全程飛行的測試，從而完成正式嘗試前的“臨門一腳”。

航天科技集團(tuán)八院研制的重復(fù)使用運(yùn)載火箭新技術(shù)驗證箭