俄羅斯研發(fā)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭。資料圖片
(資料圖)
火箭回收過(guò)程示意圖
飛機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)常見(jiàn)的交通工具。一般來(lái)說(shuō)，一架飛機(jī)的壽命為25年左右，起落次數(shù)3萬(wàn)～8萬(wàn)次，飛行時(shí)長(zhǎng)4萬(wàn)～8萬(wàn)小時(shí)。在此期間，只要做好日常維護(hù)保養(yǎng)工作，飛機(jī)就可以在生命周期里安穩(wěn)服役。
多年以來(lái)，人類一直以不懈的探索和努力“回答”著這樣一個(gè)問(wèn)題：我們是否能像乘坐班機(jī)一樣，乘坐航天飛行器自由往返天地之間呢？
前不久，我國(guó)自主研制的80噸級(jí)可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了首次額定工況200秒長(zhǎng)程試車，取得圓滿成功。這是一臺(tái)以重復(fù)使用、低成本、高性能為研制目標(biāo)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，具有大范圍變推力、多次起動(dòng)、重復(fù)使用、故障診斷及快速測(cè)發(fā)能力，是一款跨時(shí)代的發(fā)動(dòng)機(jī)。這也意味著，我國(guó)朝火箭重復(fù)使用的目標(biāo)又近了一步。
本期“科技大講堂”，由國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院教授李清廉為您講述——
回收再利用，運(yùn)載火箭新選擇
今天，火箭發(fā)射不再是一件稀罕事。觀看火箭發(fā)射，已經(jīng)成為許多人遠(yuǎn)行出游的新目標(biāo)。當(dāng)您站在空曠的戈壁上，望著火箭白色的尾跡漸漸消失在天邊時(shí)，是否想過(guò)，火箭將飛往何方，又將落在哪里？
事實(shí)上，這些帶給人們巨大震撼的火箭，在完成它的使命后，往往會(huì)被“拋棄”，經(jīng)過(guò)大氣層的燒蝕后，剩余的殘骸會(huì)直接掉落到地面或者海中。這是因?yàn)?，如今我們使用的運(yùn)載火箭大多是一次性使用火箭。這種火箭不需回收，也沒(méi)有壽命限制，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、研制成本較低。然而，一枚運(yùn)載火箭的硬件成本就能占到每次發(fā)射總成本的80%以上，這使得單位有效載荷的運(yùn)輸成本非常高。因此，如果能回收火箭，經(jīng)過(guò)維護(hù)后再重復(fù)使用，則可極大降低發(fā)射成本。有航天專家稱，“掌握了火箭回收并重復(fù)使用技術(shù)，可節(jié)省宇航發(fā)射成本80%左右，將對(duì)宇航事業(yè)產(chǎn)生重大影響?！?/p>
于是，重復(fù)使用火箭便應(yīng)運(yùn)而生。重復(fù)使用火箭的概念是相對(duì)于一次性使用火箭而言的，特指從地面起飛完成預(yù)定發(fā)射任務(wù)后，全部或部分返回并安全著陸，經(jīng)過(guò)檢修維護(hù)與燃料加注，可再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的火箭。
目前，火箭回收有三種主流方案：傘降回收、垂直回收和帶翼飛回。
傘降回收，即在火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束并完成級(jí)間分離返回后，在低空采用降落傘減速，最后通過(guò)氣囊緩沖著陸或者直升機(jī)鉤住帶回地面。然而，這種方式不僅對(duì)著陸地形有要求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)火箭的定點(diǎn)著陸，且火箭落地后發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)隨之報(bào)廢，與真正意義上的“回收利用”有較大差距。這種方案與飛船返回艙的回收類似。美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的火神火箭擬采用傘降回收方案，由直升機(jī)在空中實(shí)現(xiàn)回收，但截至目前還未實(shí)現(xiàn)。
垂直回收，是在低空采用發(fā)動(dòng)機(jī)反推減速并調(diào)整至指定地點(diǎn)的回收方案。采用垂直回收的典型代表，是美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹9號(hào)火箭。該火箭于2015年成功實(shí)現(xiàn)第一級(jí)火箭回收，也成為全世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)第一級(jí)火箭回收的軌道飛行器。然而，以垂直下降方式降落地面，必須提前為發(fā)動(dòng)機(jī)反推預(yù)留推進(jìn)劑，這會(huì)對(duì)火箭運(yùn)載能力造成一定的損失。
帶翼飛回，是利用空氣動(dòng)力使火箭像飛機(jī)一樣滑翔降落。這種方案對(duì)火箭總體設(shè)計(jì)和返回控制技術(shù)要求較高。俄羅斯提出的貝加爾號(hào)有翼助推器方案就是典型的帶翼回收方案，貝加爾號(hào)為第一級(jí)帶翼飛回式助推器，可以像飛機(jī)一樣著陸。然而，帶翼飛回需要為火箭增加機(jī)翼、起落架等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)重量等因素會(huì)使火箭運(yùn)載能力損失約40%。
與傘降回收和帶翼飛回相比，垂直回收飛行載荷小、著陸精度高，并且對(duì)火箭自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改動(dòng)最小，在三種回收方式中經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值最高。垂直回收方案目前已經(jīng)成為各國(guó)航天工程師研究的熱點(diǎn)。
液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，重復(fù)使用火箭的優(yōu)選
就像汽車行駛需要汽油，火箭發(fā)射也需要添加燃料?；鸺娜剂希环Q為“推進(jìn)劑”。推進(jìn)劑在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中快速燃燒，為火箭提供能量。按照狀態(tài)來(lái)分，推進(jìn)劑可以分為液體推進(jìn)劑和固體推進(jìn)劑兩類。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)，科研人員們發(fā)現(xiàn)，采用低溫推進(jìn)劑是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用的基本前提。
低溫推進(jìn)劑主要包括了液氧煤油、液氧液氫和液氧甲烷等推進(jìn)劑組合。不同的推進(jìn)劑在一定程度上影響著重復(fù)使用火箭的性能、運(yùn)行維護(hù)以及使用壽命。
獵鷹9號(hào)火箭的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，使用了液氧煤油推進(jìn)劑。液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)密度比沖高，技術(shù)成熟。然而，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)使用后，需要清除內(nèi)部的煤油和積碳，維護(hù)工作較為繁瑣。
美國(guó)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)SSME堪稱重復(fù)使用的鼻祖，采用的是液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)。液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)比沖最高，無(wú)積碳、無(wú)污染。但由于液氫制備難、儲(chǔ)存條件苛刻，運(yùn)行維護(hù)成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種推進(jìn)劑組合。
隨著可重復(fù)使用需求的增加和液化天然氣的應(yīng)用，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸成為各國(guó)航天工作者研究的熱點(diǎn)。
液氧甲烷推進(jìn)劑具備比沖高、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(dòng)機(jī)大規(guī)模生產(chǎn)和重復(fù)發(fā)射，本身也便于在太空中長(zhǎng)期貯存。同時(shí)，甲烷還具備火星原位生產(chǎn)的可能，這也是液氧甲烷推進(jìn)劑的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，液氧甲烷推進(jìn)劑正在成為各國(guó)研究新一代重復(fù)使用火箭動(dòng)力系統(tǒng)的主流選擇。
美國(guó)太空探索技術(shù)公司正在研發(fā)的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，是世界上第一款實(shí)用化的大推力液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，具有33臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的星艦超重助推器B7已經(jīng)完成了首次發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)點(diǎn)火測(cè)試，即將進(jìn)行軌道飛行試驗(yàn)。
歐洲的普羅米修斯液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被納入未來(lái)運(yùn)載器準(zhǔn)備計(jì)劃（FLPP），瞄準(zhǔn)2030年左右的發(fā)射市場(chǎng)，為歐洲運(yùn)載器的長(zhǎng)期發(fā)展做好準(zhǔn)備。
俄羅斯正在研究200噸級(jí)推力的RD-0162液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃2030年前后投入使用。
中國(guó)藍(lán)箭航天研制的“天鵲”TQ-12的80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)在2022年進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，助力朱雀二號(hào)火箭成功飛躍了卡門線（海拔100公里）。
重復(fù)使用火箭，開(kāi)啟航天探索新征途
如今，重復(fù)使用火箭的優(yōu)勢(shì)已初見(jiàn)端倪。截至2022年9月，獵鷹9號(hào)火箭已經(jīng)成功回收一子級(jí)130多次，單枚火箭一子級(jí)復(fù)用次數(shù)最多達(dá)14次。其發(fā)射強(qiáng)度之高、經(jīng)濟(jì)性之顯著，都令人驚嘆不已。
當(dāng)然，距離可以自由往返天地之間的未來(lái)，目前還有許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破。
首先，垂直回收的重復(fù)使用火箭要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備多次起動(dòng)能力?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，也是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用的關(guān)鍵技術(shù)。由于液氧液氫、液氧煤油和液氧甲烷均為非自燃推進(jìn)劑，燃燒室和燃?xì)獍l(fā)生器均需要多次點(diǎn)火，因而發(fā)動(dòng)機(jī)需要具有可重復(fù)點(diǎn)火系統(tǒng)。同時(shí)，因?yàn)楦呖窄h(huán)境溫度低，點(diǎn)火時(shí)的狀態(tài)與發(fā)射前的地面點(diǎn)火會(huì)有所不同，例如點(diǎn)火延遲增大等，還需要該點(diǎn)火系統(tǒng)具備不同環(huán)境下的可靠工作能力。
其次，重復(fù)使用火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)需要能像天然氣灶一樣“調(diào)節(jié)火力”，即掌握大范圍變推力調(diào)節(jié)技術(shù)。由于在整個(gè)火箭發(fā)射回收過(guò)程中，推進(jìn)劑在不斷消耗，導(dǎo)致火箭起飛時(shí)重量大，回收時(shí)重量要輕得多。獵鷹9號(hào)火箭起飛時(shí)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全部工作，回收第一階段減速僅需3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作即可；其單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)范圍為39%～100%，多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)更大范圍推力調(diào)節(jié)。獵鷹9號(hào)火箭的梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)采用了針?biāo)ㄊ絿娮⑵?，這種噴注器曾應(yīng)用于阿波羅登月艙下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整燃料和氧化劑流通通道面積，控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的流量，最終實(shí)現(xiàn)推力的調(diào)節(jié)。在我們需要的時(shí)候控制目標(biāo)“火力”大小，不需要的時(shí)候“關(guān)火”，做到“隨用隨到”，是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)變推力的基本原理，也是我們未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的方向之一。
此外，可重復(fù)使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)還涉及低入口壓力啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估檢測(cè)及健康管理、高溫組件結(jié)構(gòu)抗疲勞壽命評(píng)估及延壽、全任務(wù)復(fù)雜力熱環(huán)境預(yù)示及控制等關(guān)鍵技術(shù)，其研制難度都超過(guò)一次性使用火箭的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
今年3月，據(jù)西班牙《國(guó)家報(bào)》消息，歐洲第一枚重復(fù)使用火箭繆拉-1已經(jīng)進(jìn)入發(fā)射倒計(jì)時(shí)。生產(chǎn)該火箭的西班牙航空航天運(yùn)載公司希望通過(guò)重復(fù)使用火箭，以更低的成本、更高的效率，將更多的小衛(wèi)星送往太空。
試想一下，當(dāng)重復(fù)使用火箭技術(shù)高度成熟以后，我們可以更加自由地將更多人員和物資運(yùn)往太空，開(kāi)啟航天探索的新征途。一卷寫滿了航天夢(mèng)的未來(lái)藍(lán)圖，正在徐徐展開(kāi)。（■解放軍報(bào)特約記者 張照星 通訊員 李子光 顧 瑩）
來(lái)源：中國(guó)軍網(wǎng)-解放軍報(bào)
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