【原创文章】火箭回收各有高招 落区之困将成历史

8月6日,美国火箭实验室公司宣布要在未来几个月尝试对其电子小运载火箭的第一级进行回收,以最终实现重复使用,从而降低成本,提高发射频度。

从根本上降低人类进入太空的成本,一直是航天人不懈追求的梦想,而运载火箭的回收和重复使用一直都被认为是实现这个目标的最佳办法之一。

自1981年首飞开始,历经长达30年的探索,航天飞机于2011年黯然退役。航天飞机最终成为了可重复使用航天器中既“成功”又“失败”例子——复用做到了,成本却也上去了。更可惜的是,后续“三角快帆”和“冒险星”等复用项目也因为种种原因不幸夭折。

近年来,SpaceX公司的异军突起又开启了垂直动力回收的新思路。从2012年悬停试验机“蚱蜢”首次升空算起,到2017年3月首次发射回收翻修后的火箭一子级,耗时长达5年。其间历经13次实际发射回收试验,数十次回收试验,上百项迭代改进,终于通过栅格舵、姿控发动机、发动机节流反推三者结合,使火箭如孙悟空手中的金箍棒一样上下翻飞灵活自如,最终达到近乎“正中靶心”的精准回收。

近两年,SpaceX公司的回收复用日渐成熟,至今已执行了25次复用发射,任务成功率100%。不仅如此,复用发射报价相对新火箭降幅达上千万美元,真正实现了“降本增效”。

但纵观世界主流航天国家和组织,如俄罗斯、欧洲、日本、印度却都在火箭回收上选择“按兵不动”。比如在研的H-3、“阿丽亚娜6”“联盟5”等均继续沿用一次性运载火箭思路。

不过中国航天人并未“静观其变”,7月26日,我国利用加装栅格舵的长征二号丙运载火箭成功执行了首次火箭残骸可控坠落技术试验。在一型已经有37年服役史的金牌火箭上“开刀”,这对设计团队既是巨大的挑战也是绝好的机会。这次试验的圆满成功,不仅为我国后续可回收运载火箭的研发积累了宝贵经验,对中国航天还有着特别的意义。

由于历史原因,我国太原、酒泉、西昌三座发射场都建在内陆地区,火箭飞行弹道不可避免会飞越我国广袤的陆地地区。在上世纪,由于航天发射次数少,火箭弹道下方居民数量少,落区协调和军地保障工作的矛盾并不突出。

但随着经济的飞速发展,基建和居住分布的变化,加之近年我国航天发射次数激增,落区保障工作变得愈加复杂和繁重。又由于火箭残骸属于无控坠落,残骸落点偏差可能高达十几到上百公里,对落区内建筑和群众都有风险,而发射方为了让理论落点规避开密集居民区,任务时序设置也会有所调整,不仅增加了工作量,还导致额外的运力损失。而利用加装栅格舵来对残骸箭体进行落区控制,理想情况下可将落区缩小到只有百米见方,实现指哪落哪,从而免去落区居民疏散之苦。

由此可见,对于中国航天而言,未来火箭回收不仅能降低发射成本,还能减少落区保障工作,是一件“一举两得”的创新。但要彻底根除“落区之痛”,还需要将火箭整流罩也一并回收,最终使除载荷外的所有火箭部件都能“定点集合”,不再烦扰落区群众。

众所周知,由于整流罩属于大尺寸薄壁结构,动力回收很难,业界一般认为其更适宜伞降回收。

但常言道“知易行难”,SpaceX公司为了回收整流罩以进一步降低发射成本,不仅专门改造回收船,还耗时近两年时间,对支撑臂进行3次更新,对捕获网进行4次改进,横跨2个大洋,经历5次回收试验失败后,终于在今年6月首次成功回收装有可控翼伞的火箭整流罩。时隔两个月后又再次成功回收整流罩,同时用于另一半整流罩回收的第二艘回收船也即将投入使用,回收后的整流罩也有望于今年的“星链”发射任务中被首次重复使用。

无独有偶,前文提到的,近年来横扫小型运载火箭市场的火箭实验室公司也于近日宣布开展伞降回收试验。但他们回收的并非整流罩,而是旗下电子火箭的一子级。由于电子火箭贮箱采用碳纤维复合材料,发动机结构精密,难以承受海水腐蚀和落海冲击。因此公司另辟蹊径采用伞降加直升机空中捕获的方案。

也就是说,箭体高速再入大气层后,将首先展开减速伞,降低一子级速度,然后展开可控翼伞,使其沿着稳定轨迹下滑飞行。最后采用冷战时期曾用于回收锁眼卫星胶卷的天钩系统进行回收,专门改造的直升机将用下吊的钩爪尝试将其捕获。

据测算,飞机在火箭落海前将有3次机会,捕获成功后火箭一子级将会放置在专用回收船上,最终经过翻修并重新发射。电子火箭的复用虽未完成,但公司已经开始对火箭进行改进,以在后续任务中开展相关测试。

随着近年来回收技术的进步和成熟,“搞回收,降成本”已不再是天方夜谭,而是一个合理可行的技术目标,未来必将有更多的火箭型号被贴上“可回收”的标签。同时,各种新式回收方案也将不断涌现,正所谓“一枝独秀不是春,百花齐放香满园”,这些思路究竟孰优孰劣,火箭回收的大潮流向何方,还让我们拭目以待。

文/田丰

编辑/杨蕾 张晓帆

监制/许斌

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