中國火箭重復使用還要邁過幾道坎

圖為長征二號丙火箭，深色部分為該火箭一子級（圖/中國航天科技集團）

7 月26 日，一條看似平常的消息，卻在航天圈里炸開了鍋。

當天中午11 時57 分，長征二號丙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火起飛，成功實現(xiàn)“一箭三星”發(fā)射。看似常態(tài)的一次火箭發(fā)射，卻承擔著一個鮮為人知的試驗任務(wù)——火箭一子級的精準回收。

直到兩天后，這個細節(jié)才對外公布。來自中國航天科技集團的消息稱，這一被稱作“柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)試驗”的成功，標志著我國成為繼美國之后第二個掌握此項技術(shù)的國家，同時中國航天在落點可控、精準回收領(lǐng)域取得了重大突破，向打造可重復使用的運載火箭邁出了堅實的一步。

可重復使用火箭？是的，正是這個創(chuàng)意讓業(yè)內(nèi)外人士激動不已。如今，中國火箭回收技術(shù)驗證邁出一小步，那么距離真正的火箭重復使用還有多遠？

讓火箭“倒著飛”

7 月26 日13 時40 分，也就是長征二號丙運載火箭點火起飛103 分鐘之后，在貴州黔南州設(shè)定的落區(qū)范圍內(nèi)，試驗人員順利找到了該火箭一子級殘骸。

長征二號丙運載火箭由中國航天科技集團第一研究院抓總研制。按照長征二號丙火箭副總設(shè)計師崔照云的說法，這次嘗試，形象地說就是讓火箭“倒著飛”——長征二號丙運載火箭上升時，位于一子級外側(cè)壁的幾片柵格舵緊貼箭體，以避免對發(fā)射造成影響。一子級分離后，重新返回大氣層，柵格舵完成了解鎖—展開—按控制指令轉(zhuǎn)動等一系列復雜動作。

小小的柵格舵，展開后如小翅膀，保持著箭體姿態(tài)穩(wěn)定，幫助一子級精準回歸地面。

“其他火箭設(shè)計師都是解決火箭如何‘正著飛’進入軌道，我們卻逆向思維，探究‘倒著飛’的問題。”長征二號丙運載火箭研發(fā)團隊設(shè)計師張大銘說。

事實上，針對分離體落區(qū)安全控制，研制人員曾提出通過翼傘回收和柵格舵返回兩種技術(shù)方案。

此前，我國發(fā)射神舟系列載人飛船的長征二號F 運載火箭，也曾安裝過柵格翼，其目的是保證逃逸飛行器的穩(wěn)定性。

崔照云說，長征二號F 運載火箭的柵格翼展開后是固定不動的，近幾年，國外火箭上才開始通過可擺動的柵格舵來控制箭體的方向和姿態(tài)。

比如，全球唯一實現(xiàn)重復使用的“獵鷹－9”火箭，使用的就是柵格舵技術(shù)。

2015 年12 月，在“獵鷹－9”火箭第20 次發(fā)射任務(wù)中，一子級首次成功著陸。一子級重返大氣后，進行減速，調(diào)整箭體姿態(tài)。接近地面時，火箭一子級頂部四個柵格翼展開，對箭體姿態(tài)進行穩(wěn)定。主發(fā)動機再次點火，火箭進一步減速，一子級逐漸接近地面著陸場，實施軟著陸。

如今，我國試驗采用柵格舵控制殘骸落點，也屬首次嘗試，科研人員擔負著“巨大的心理壓力”。

崔照云說，此次試驗選擇在大中型成熟運載火箭最大的一子級上安裝柵格舵，要保證對火箭發(fā)射不造成任何影響；在一子級返回地面過程中，柵格舵要經(jīng)受上千攝氏度高溫、近10 倍自重的沖擊力，對提升研發(fā)制造技術(shù)不失為一種“巨大挑戰(zhàn)”。

可解決內(nèi)陸火箭殘骸落區(qū)安全問題

所謂運載火箭的重復使用，就是讓火箭的助推器、一子級等部件在發(fā)射后安全返回，經(jīng)過整修后重復利用。這個看似科幻式的設(shè)想，不僅已經(jīng)成為現(xiàn)實，還正在成為各航天大國爭相發(fā)展、角力比拼的新舞臺。

至于原因，成本低是業(yè)內(nèi)人士的第一個共識。

根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布的報告，同樣一枚“獵鷹－9”火箭，由NASA 研發(fā)至少要13 億美元，而商業(yè)公司僅花費不到4 億美元。

因此也有人評價，埃隆·馬斯克，這個擁有億萬擁躉的商業(yè)航天領(lǐng)軍者，已經(jīng)將航天發(fā)射的價格拉低了一個數(shù)量級。

對中國而言，這件事還有著更為現(xiàn)實的意義——減少傳統(tǒng)火箭發(fā)射時給落區(qū)百姓帶來的不便。

全國空間探測技術(shù)首席科學傳播專家龐之浩指出，傳統(tǒng)火箭發(fā)射時，第一級、第二級甚至整流罩等殘骸完成任務(wù)后從高空無控墜落，落點散布范圍較大，可能涉及有人居住的區(qū)域。為保障人員安全，我國當前的做法是在每次火箭發(fā)射之前，將落區(qū)內(nèi)百姓疏散到安全地帶。這不僅給當?shù)匕傩諑聿槐悖苍黾恿嘶鸺l(fā)射的經(jīng)濟成本和工作難度。現(xiàn)實的問題是，由于社會迅猛發(fā)展和人口數(shù)量激增，我國于20 世紀六七十年代建立的內(nèi)陸火箭發(fā)射場周邊，火箭殘骸落區(qū)不再是絕對的無人區(qū)，近年有關(guān)貴州、江西等地的火箭殘骸掉落事件不時出現(xiàn)在新聞媒體上。掌握火箭殘骸落點可控技術(shù)后，對于解決我國內(nèi)陸發(fā)射場落區(qū)安全性問題具有重大的意義。

中國航天專家、小火箭聯(lián)合會創(chuàng)始人邢強介紹說，受先天的地理位置因素影響，火箭殘骸的落區(qū)問題讓不少國家頭疼。例如早年英國就因為運載火箭殘骸的落區(qū)位于法國巴黎和德國柏林附近，被迫放棄在英倫三島發(fā)射火箭的計劃。相對而言，美國在此方面得天獨厚，從肯尼迪航天中心發(fā)射的火箭殘骸會落到大西洋，從范登堡空軍基地發(fā)射的火箭落區(qū)在太平洋，因此美國發(fā)展相關(guān)技術(shù)的原因集中在火箭可重復使用上。而中國除了海南文昌發(fā)射中心外，現(xiàn)有內(nèi)陸火箭發(fā)射場都更要注重落區(qū)安全問題，因此可以說，中國比美國更需要掌握火箭殘骸的落點可控技術(shù)。

現(xiàn)在“落得準”，將來要“落得穩(wěn)”

柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)試驗的成功，與真正的火箭重復使用尚有距離。實現(xiàn)重復使用，火箭不僅要“落得準”，還要“落得穩(wěn)”。

中國工程院院士、中國航天科技集團第一研究院長征系列運載火箭高級顧問龍樂豪曾表示，對于包括長征三號甲、長征四號在內(nèi)的現(xiàn)役運載火箭，無法重復使用，只能通過回收技術(shù)，實現(xiàn)落區(qū)精確控制，確保其航區(qū)安全。

“中國重復使用運載器的技術(shù)研發(fā)應(yīng)按照從‘部分重復使用’到‘完全重復使用’的發(fā)展思路。未來的新型運載火箭，從立項研制開始就要開展垂直起降關(guān)鍵技術(shù)研究。”龍樂豪說，火箭將采用芯級與助推捆綁整體垂直降落回收方式：兩個助推器與一子級捆綁后作為一個整體進行垂直著陸、重復使用。火箭一、二級分離后，采用整體垂直降落的返回方式實現(xiàn)減速和著陸，可根據(jù)不同任務(wù)需求返回原發(fā)射場或其他發(fā)射場。

根據(jù)中國航天科技集團第一研究院此前發(fā)布的《2017—2045 年航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路線圖》，到2030 年前后，我國將研制成功以火箭發(fā)動機為動力的兩級完全重復使用運載器，航天運輸系統(tǒng)水平和能力進入世界航天強國前列。到2035 年左右，運載火箭實現(xiàn)完全重復使用。

那時，快速而廉價地進出太空，去太空旅游，太空制造、太空農(nóng)業(yè)、太空采礦，等等，或許都有望從科幻大片里走進現(xiàn)實。（據(jù)《中國青年報》《新京報》）

圖中網(wǎng)格狀的部分叫作“柵格舵”（圖/中國航天科技集團）