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SpaceX成功回收火箭,好比在暴风雨中将扫帚立在手掌上

2019/9/11 20:16:12

SpaceX成功回收火箭,好比在暴风雨中将扫帚立在手掌上

北京时间4月9日,美国太空探索技术公司(SpaceX)通过海上平台完成了“猎鹰9号”一级火箭的回收。这是该公司首次成功实现海上回收火箭,此前多次均以失败告终。这也是SpaceX第二次成功回收火箭,去年12月,“猎鹰9号”一级火箭在地面着陆场地完成了回收。海上、陆地成功回收火箭,对人类航天有何价值?其技术难度有多大?我国是否也在研发火箭回收技术?记者采访了上海宇航系统工程研究所的火箭专家。

廉价太空旅游将成为现实


上海宇航系统工程研究所高工徐大富博士介绍,SpaceX成功完成海上、陆地一级火箭回收,证明运载器的“垂直起降”重复使用方案是可行的。目前,重复使用技术方案有3种:一是垂直发射、水平返回,航天飞机是其代表;二是垂直起降,如“猎鹰9号”火箭;三是水平起飞、水平返回,代表项目是英国“云霄塔”(Skylon)空天飞机。其中,美国航天飞机运行多年,证明第一种方案可行,但由于航天飞机的使用维护成本很高,已经退役;第三种方案的技术难度最大,尚未实现,空天飞机可被视为运载器重复使用的终极目标。


正因为第一种、第三种方案的缺陷和难度,SpaceX、蓝色起源等美国企业和美国国家航空航天局(NASA)下属研究机构正在攻关垂直起降方案,希望以此大幅降低航天成本,带动商业航天的大发展。徐大富说,“猎鹰9号”火箭的设计理念就是瞄准商业航天发射市场,采用两级构型,一级、二级火箭的直径均为3.66米,很多部件和加工设备可以通用,很适合工业流水线生产。一级火箭占生产成本的80%,二级占20%,所以成功回收一级火箭的价值很大。据估算,如果“猎鹰9号”一级火箭能重复使用5次,载荷进入空间的成本可降低60%左右。SpaceX还希望今后回收二级火箭,成本预计能降低90%,当然实现这一目标的技术难度相当大。


目前,欧美国家将载荷送入空间的成本约为8000美元/公斤,我国的这一成本为约为6000美元/公斤,与SpaceX相当。SpaceX的火箭回收与重复使用技术如果成熟,将把成本降低至2000美元/公斤以下。这将引发“轨道革命”,届时商业航天可以进入快速发展期,众多企业能涉足航天产业,公众期盼的廉价太空旅游也不再只是梦想。也在研发火箭回收技术的蓝色起源公司,就把商业目标设为“亚轨道太空旅游”。NASA约翰逊航天中心则试图将这种技术用于地外行星探测——航天器在星球上高精度定点软着陆,完成任务后起飞返回地球。

技术成熟至少还需3—5年


徐大富表示,SpaceX在海上平台成功回收火箭的技术难度很大,好比暴风雨中将扫帚立在手掌上。“海上平台的面积是50米×70米,火箭着陆时4个支架的展开半径有23米左右,准度上偏一点就失败了。而且一级火箭高46米,重心很高,要在风浪很大的平台上站稳真心不容易,着陆时速度必须降到0。”


为了做到“在暴风雨中将扫帚立在手掌上”,SpaceX主要采用发动机反推制动技术。一级火箭与二级火箭分离时,距地面高度约为70公里,速度约为8马赫(1马赫即1倍音速)。分离后,一级火箭随惯性上升,到达160公里左右高度后,抛物线式下落。此时,火箭使用反作用控制系统(RCS)进行调姿,将原先在箭体后部的发动机喷口调到前端,反向喷射,起到减速制动作用。在下落过程中,发动机需要反向喷射3次,每次时间需精确控制,确保火箭在进入平流层、对流层时能平稳减速,经受住海上风浪的考验,最终精准降落在平台上。


虽然此次试验取得成功,但技术成熟至少还需3—5年。SpaceX接下来将进行多次回收火箭的点火实验,检测其发动机、箭体结构和电气设备能否重复使用,再将其发射升空并回收。如此反复多次,才能使一级火箭回收与重复使用技术趋于成熟。

 

上海可培育商业航天企业


专家透露,我国一直在跟踪研究国外重复使用运载器的众多项目。上世纪90年代,麦道公司开展了单级入轨“德尔塔·三角快帆”项目(DC-X),成功进行过12次地面起飞、3000米左右高度返回着陆试验,后来终止。这是垂直起降重复使用模式的最早尝试。2002年SpaceX公司成立后,开展了类似K-1火箭的伞降回收试验,失败后改用发动机反推制动的垂直起降技术。


对于运载器重复使用的许多方案,我国航天部门都做过研究分析,但没有大量公开这方面信息。已公开的信息有:去年11月,中国运载火箭技术研究院研发中心成功完成火箭子级回收群伞空投试验,离实现可重复使用又近了一步。


由于SpaceX是私营企业,其研发试验的信息更为公开。冷战时期,美国和前苏联大力发展航天。冷战结束后,美国航天经费预算大幅削减,大量设施闲置,许多研发人员也面临“下岗”。为了解决产能过剩、降低航天成本,NASA开始与私营企业合作,实现了技术、设施和人才的转移。如今全球闻名的SpaceX、蓝色起源、轨道科学、内华达山脉、维珍银河等公司,就是众多企业竞争后产生的代表。


与美国不同,我国航天科技正处于快速发展期,主要以政府订单为主,商业航天市场刚刚起步。不过徐大富告诉记者,中国航天科技集团公司、中国航天科工集团公司等单位已组建商业航天企业;另外,已有10家左右民营航天企业,我国商业航天市场正逐步形成。上海航天技术研究院总工程师陈杰建议,上海市政府可牵线搭桥,将航天科技与社会资本、民营企业结合,共同推动我国商业航天的发展。

 

图片来源:新华社