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厉害了!火箭也能回收重复利用 回收方式有这三种

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  发射火箭贵不贵?即便是外行也知道贵。那么有多贵呢?以中国目前在国际上最具商业优势的快舟一号甲火箭为例,其发射成本约为每公斤1万美元。然而在近日举行的中国航天高峰论坛上,中国航天科技集团公司给出的预期报价可谓诱人,那就是“每公斤约5000美元”。

  从“成本约1万美元”到“报价约5000美元”,如此大胆预期的根据是什么呢?原来是“可重复使用火箭”。的确,只有实现可重复运载火箭的技术大跨越,才有可能这样大幅降低发射成本,为从根本上提高中国商业航天的国际竞争力奠定雄厚基础。那么,可重复使用火箭的研发都有哪些关键技术?“中国造”又处于哪个阶段?

  1月9日12时11分,中国“快舟一号甲”通用型固体运载火箭成功在酒泉卫星发射中心发射“吉林一号”灵巧视频03星,同时搭载“行云试验一号”、“凯盾一号”两颗立方体星。图为火箭发射瞬间。中新社发 亓创 摄

  可重复使用火箭是相对于“一次性运载火箭”而言的概念,指运载器从地面起飞完成预定发射任务后,全部或部分返回并安全着陆,经过检修维护与燃料加注,可再次执行发射任务。国际宇航联空间运输委员会秘书长、中国航天科工集团公司二院研究员杨宇光介绍说:

  杨宇光:发展可回收式的运载火箭,其核心目的还是为了降低进入太空的成本。因为我们知道,目前,人类进入太空的唯一手段还是运载火箭,那么运载火箭成本是非常高的,实际上它的大部分成本集中在发动机以及结构控制等部件,而火箭的燃料在整个的成本中占比比较低。所以说目前从技术上来说,专家也都认为如果能把火箭本身回收,那么即使牺牲一部分推进剂,整个发射服务成本也有可能会降低。

  也就是说,可重复使用火箭单位有效载荷的运输成本可以降低,还能大幅缩短发射准备时间,有望像飞机一样实现航班化的天地往返运输。

  杨宇光:可回收式的运载火箭主要是分为部分可回收以及完全可回收两大类。那么部分可回收主要是回收它的一子级,最开始工作的子级,这个相对来说还比较容易一些;而最难回收的其实是火箭的末子级,因为火箭的末子级会随着它的有效载荷一块儿进入轨道,再想回收的话还需要消耗一部分燃料让它再落。而且因为它的速度非常高,有七点几公里每秒,所以在回来过程中,这个加热也很严重,给它进行防热实际上就是说是个很严重的问题。而最为关键的目前比较争议大,可能会影响到未来发展的,其实还是从我们回收运载火箭到对它进行检测、维修,然后再发射,这样一个过程,整个的环节所有的操作能不能把经费和成本控制住,这个是决定我最后是不是节约成本的一个最关键因素。

  正是基于此,可回收火箭技术成为世界航天领域一颗璀璨的“明珠”,也成为航天大国激烈角逐的最前沿领域之一。中国航天科技集团公司五院研究员庞之浩表示,其回收方式,目前主要有三种。

  庞之浩:第一种是降落伞垂直下降方案,即在火箭分离后先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道,接着在低空采用降落伞减速,最后打开气囊或用缓冲发动机着陆;第二种是动力反推垂直下降方案,其空中变轨制动同第一种一样,但在低空采用发动机反推减速,以垂直下降方式降落地面,美国“猎鹰9”火箭采用的就是这种方案;第三种是滑翔飞行水平降落方案,即箭体采用翼式飞行体,在变轨制动后,火箭像飞机一样水平降落返回地面。

中国运载火箭技术研究院研发中心进行群伞空投试验现场

  庞之浩认为,目前使用的回收方式各有千秋。一方面,由于尺寸、外形等原因,采用垂直下降方案回收火箭的难度远远大于航天飞机回收;另一方面,航天飞机虽然可以水平着陆至指定机场,但其维修成本高,风险较大。

  庞之浩:这三种吧,前两种都是垂直下降吧,也是各有千秋。动力反推垂直下降的方案要消耗较多的燃料,使火箭损失一些运载能力,但是降落伞垂直下降方案消耗燃料比较小,主要靠降落伞的阻力,但是降落伞会受气流影响比较大,不太容易控制落点和姿态。现在还有一些公司包括俄罗斯公司,正在研制回收时带有可展开小翅膀的运载火箭,还没有成功,正在研制,还没有发射。

  在今年6月举行的2017全球航天探索大会上,我国首次向全球公布了正在进行的可重复使用运载火箭概念方案,就包括“垂直起降方案”和“伞降方案”,这两个方案已经完成部分试验验证,一些关键技术已经突破。中国航天科技集团公司一院科技委主任鲁宇:

  鲁宇:在重复使用技术上我们的基本观点是要符合我们中国发展的国情,怎么能跟真正实现低成本,重复使用的目的就是为了低成本,我们要把这两个问题能够统筹好,才能够来确定我们将来究竟走什么样的方案。

  目前,中国可重复使用运载器研制正处于攻关研制阶段,预计在2020年左右将完成首飞,并将实现10天10次发射、单位有效载荷发射成本降低至现有一次性运载火箭的五分之一的目标,届时将比肩美国,成为几乎与美国同时完成自主研制重复使用运载器的国家。

  另据了解,中国正在规划开展火箭动力与组合动力完全重复使用运载器的攻关研制。如果顺利,将在2030年前全部完成可重复使用运载器的研发及飞行试验,成为全球首个实现完全重复使用运载器研制的国家。

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责编:王雪纯

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