版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán),請聯(lián)系我們
出品:科普中國
制作:川陀太空(科普創(chuàng)作者)
監(jiān)制:中國科普博覽
近日,我國自主研發(fā)的朱雀三號可重復(fù)使用垂直回收試驗箭,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成10公里級垂直起降返回飛行試驗,這是自2024年1月,朱雀三號VTVL-1驗證火箭成功完成測試后又一個里程碑。
朱雀三號是我國民營運載火箭企業(yè)藍箭航天的產(chǎn)品,是朱雀系列火箭的最新型號。藍箭航天在2018年開始測試朱雀一號,發(fā)展到如今的朱雀三號VTVL-1驗證火箭,這標志著我國商業(yè)航天在可重復(fù)使用運載火箭技術(shù)上取得重大突破,將來的發(fā)展方向是研發(fā)出可重復(fù)使用的高運力低成本運載火箭。
藍箭VTVL-1火箭進行十公里高度回收試驗的現(xiàn)場圖像
(圖片來源:藍箭航天)
藍箭航天朱雀三號大型可重復(fù)使用火箭垂直返回技術(shù)的VTVL-1試驗箭
(圖片來源:藍箭航天)
為什么要研發(fā)可重復(fù)使用火箭
可重復(fù)使用火箭是指能夠部分或者全部回收火箭部件,并重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)。航天飛機其實就是一種可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng),但它的問題在于無法低成本使用。
引用美國宇航局艾姆斯研究中心在2018年的會議數(shù)據(jù),航天飛機將27.5噸的載荷送入近地軌道,成本約15億美元,每公斤約5.45萬美元,而商業(yè)發(fā)射所使用的獵鷹9號運載火箭,將22.8噸載荷送入近地軌道,成本為6200萬美元,每公斤約2720美元。顯然航天飛機雖然也是可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng),但是發(fā)射成本太高,最終也要被淘汰。
航天飛機計劃還涉及隔熱裝置安全性的問題,導(dǎo)致美國宇航局不得不在發(fā)射一架航天飛機的時候,再準備另一架航天飛機也矗立在另一個發(fā)射工位上,隨時準備救援,進一步導(dǎo)致發(fā)射成本增加。
兩架航天飛機同時矗立發(fā)射工位,一架處于待命救援狀態(tài),導(dǎo)致航天飛機雖然是可重復(fù)使用發(fā)射系統(tǒng),但發(fā)射成本極高
(圖片來源:NASA)
當(dāng)下對可重復(fù)使用火箭的定義更加注重其低成本性,換而言之,如果無法實現(xiàn)低成本運營,那么可重復(fù)使用的意義就蕩然無存。從運載火箭的角度看,目前阻礙近地軌道大規(guī)模開發(fā)的瓶頸就是成本問題,這里的成本并不是火箭發(fā)射的總費用,而是根據(jù)發(fā)射報價和載荷質(zhì)量折算出的每公斤載荷進入軌道的成本。
美戰(zhàn)略與國際研究中心(CSIS)的數(shù)據(jù)顯示,目前獵鷹重型火箭進入近地軌道的每公斤載荷成本是1500美元,低于歐洲阿麗亞娜5G運載火箭的9167美元和質(zhì)子火箭的4320美元。
送入軌道的費用降低了,那么大規(guī)模開發(fā)近地軌道或者近地軌道商業(yè)化的才有可能實現(xiàn),這就是發(fā)展目前我們作為航天強國要發(fā)展可重復(fù)使用火箭的目標。比如目前正在實施的千帆星座計劃、鴻鵠星座計劃、中國星網(wǎng)的GW星座計劃,都需要將上萬顆衛(wèi)星送入近地軌道,我國已經(jīng)在2020年4月,首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建的范疇。
發(fā)射成本的降低,也意味著我們可以將更多的衛(wèi)星送入軌道,如果是大推力可重復(fù)運載火箭,那么我們打造空間站的成本也會更低,空間站的規(guī)模自然也會增加,功能也會得到進一步延伸。
千帆衛(wèi)星星座已經(jīng)開始打造
(圖片來源:CCTV)
可重復(fù)使用火箭的原理是什么?
目前我國研發(fā)的可重復(fù)使用火箭側(cè)重于對第一級助推器的回收,從而實現(xiàn)可重復(fù)使用,回收的方式就是讓助推器完成使命后再垂直降落。要讓火箭第一級垂直降落,就需要控制發(fā)動機噴射方向,并控制火箭的姿態(tài),在降落過程中,發(fā)動機通過向下噴射氣流,產(chǎn)生向上的反作用力,逐步控制第一級的下落速度,在距離地面一定高度時,展開著陸腿,最終實現(xiàn)定點垂直軟著陸。
技術(shù)方面涉及發(fā)動機調(diào)節(jié)推力,第一級返回時姿態(tài)控制的相關(guān)技術(shù)等,同時還需要研發(fā)出能夠重復(fù)使用的火箭發(fā)動機。目前可重復(fù)使用發(fā)動機比較理想的動力就是液氧甲烷發(fā)動機,我國朱雀二號使用的天鵲系列就是全球首枚成功入軌的液氧甲烷發(fā)動機,200噸級YF215液氧甲烷發(fā)動機也在研發(fā)中,這是我國第一款采用全流量分級燃燒循環(huán)技術(shù)的火箭發(fā)動機,有利于我國擴展空間探索。
朱雀二號遙二運載火箭在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空
(圖片來源:新華社)
回收第一級助推器對火箭的可重復(fù)使用意義重大??芍貜?fù)使用發(fā)動機的成本較高,大約可占整個火箭發(fā)射成本的六至七成,主要是因為發(fā)動機比較昂貴,獵鷹9號使用9臺發(fā)動機,每臺發(fā)動機按約200萬美元算,第一級助推器的成本僅發(fā)動機一項就要花費約1800萬美元,占一次發(fā)射6200萬美元報價的比重較大。
如果助推器數(shù)量較多,比如達到三個,那么這些助推器對發(fā)射成本的影響就更大了。同時,第一級助推器分離高度還沒有出大氣層,也適合回收,所涉及技術(shù)難度要遠低于第二級發(fā)動機的回收。
朱雀三號VTVL-1驗證火箭這次試飛,驗證的就是垂直返回技術(shù),一子級點火升空后到達了10公里的高度,之所以選擇這個高度,是因為10公里有足夠的高度可以驗證各種各樣的擾動,一子級在下降過程中可通過格柵舵、火箭發(fā)動機垂直反推和重啟,對姿態(tài)進行聯(lián)合控制,這些都是朱雀三號VTVL-1驗證火箭要測試的內(nèi)容。
隨著火箭質(zhì)量的增加,著陸緩沖系統(tǒng)則是火箭軟著陸的關(guān)鍵,緩沖裝置將吸收箭體的動能和勢能,確?;鸺趶?fù)雜條件下安全著陸。
朱雀三號VTVL-1火箭有何特點?
朱雀三號VTVL-1的定位是驗證火箭,是以全尺寸發(fā)動機構(gòu)建的工程樣機,藍箭航天計劃通過垂直起降回收試驗,驗證多項重復(fù)使用火箭的關(guān)鍵技術(shù)。
該試驗箭為單級液氧甲烷火箭,箭體直徑3.35米,長度18.3米,起飛質(zhì)量約68噸,搭載80噸級天鵲-12改進型液氧甲烷發(fā)動機,具有變推力調(diào)節(jié)和多次點火能力。箭體使用高強度不銹鋼箭體結(jié)構(gòu),有4片柵格舵系統(tǒng),軟著陸時,有3組著陸緩沖機構(gòu)。從外觀上可以確定,朱雀三號VTVL-1并非最終定型的型號,仍然以試驗為主,全狀態(tài)的朱雀三號將在2025年首飛。
我國垂直降落技術(shù)展示
(圖片來源:新華網(wǎng))
朱雀三號全狀態(tài)圖像
(圖片來源:藍箭航天)
驗證火箭與可執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的火箭相比,外觀上可直觀分辨出。驗證火箭并沒有整流罩,結(jié)構(gòu)簡單,只需滿足測試所需的硬件條件即可。
全狀態(tài)的朱雀三號將搭載9臺天鵲-12改進型發(fā)動機,可將12至21噸的載荷送入近地軌道,在國際上處于領(lǐng)先地位,畢竟目前能夠研發(fā)可重復(fù)使用火箭的國家也只有中美,但是我國民營航天企業(yè)正在研發(fā)的可重復(fù)使用火箭種類多,除了朱雀三號外,還有雙曲線三號運載火箭、天龍三號運載火箭等等,形成一種百花齊放的競爭局面,對我國大規(guī)模開發(fā)近地軌道空間奠定了堅實的基礎(chǔ)。
由于可重復(fù)使用火箭對比的并非是運載能力,所以評價一款可重復(fù)使用火箭的能力,并不是運載能力越大越好,而是在一定條件下每公斤載荷進入軌道的成本,顯然這個成本在不影響運力的情況下越低,則代表這款火箭更加優(yōu)秀。從這個角度看,朱雀三號,還有天龍三號都有極強的低成本潛力。
參考文獻:
1.近期航天發(fā)射成本大幅降低
2.太空發(fā)射至低地球軌道:成本是多少?
3.星際穿梭:可回收火箭奇幻之旅
4.外媒關(guān)注:中國打造“千帆星座”邁出重要一步
歡迎掃碼關(guān)注深i科普!
我們將定期推出
公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物!