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运载火箭可回收重复利用的多种方案

2016-01-05 20:34   浏览:5087 次
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火箭是人类进入太空的主要运载工具,也是目前唯一的运载工具。一般火箭都是一次性使用的,由于火箭箭体、发动机、控制系统、导航系统等价格昂贵,因此使用航天发射成本居高不下,普遍在数千美元/千克的级别。通过火箭的重复使用,理论上可以降低发射成本。国际航天界也一直以极大的热情投入到研制可重复使用运载工具中,提出了很多方法,尝试了各种途径。

一般来说,火箭的回收方式主要有三种:降落伞式、垂直降落式和水平降落方式。

降落伞式

美国航天飞机助推器利用降落伞回收

图:美国航天飞机助推器利用降落伞回收

美国航天飞机的两台大型固体火箭助推器,就是采用降落伞式的方式,是目前为此,人类唯一一款实用化的可回收利用的火箭。在与航天飞机燃料箱分离后,两台助推器返回,并利用降落伞减速的方式降落在海面上,由海上打捞团队打捞回收。美国航天飞机预期每次发射成本约为3000万美元,是当时火箭发射价格的1/3甚至更低,前景一片光明。然而,由于航天飞机返回地面后需要进行大规模的维修,算上这笔花费,每次总的发射经费达到令人咋舌的4-5亿美元,这与当初的低成本初衷南辕北辙。

2015年11月下旬,我国成功完成运载火箭子级回收群伞空投试验

图:2015年11月下旬,我国成功完成运载火箭子级回收群伞空投试验

做为我国最大的运载火箭研制单位,中国运载火箭技术研究院(航天一院)在运载火箭回收技术方面也进行了数年的研究攻关。就在2015年11月下旬,航天一院研发中心成功完成了运载火箭子级回收群伞空投试验,这标志着我国运载火箭在部段回收技术上取得了新的进展,离实现可重复使用又近了一步。

降落伞回收与神舟飞船返回地球有点类似,通过降落伞对箭体达到减速的目的。美国基斯特勒宇航公司1999年开始研制的K-1火箭就采用了降落伞回收的方式。该火箭一子级飞行至41.2千米的高度与二子级分离并返回发射场,使用降落伞和气囊完成着陆。但后来由于资金和政策的原因,研制计划被迫搁置。

对于我国来说,“虽然这次空投试验是国内首次开展的运载火箭子级回收群伞空投试验,它验证了群伞技术用于火箭子级回收的可行性,但最终选用哪种方式,还会根据我国国情,结合国际上相关领域的发展趋势,制定出我国自己的发展路线。”一院研发中心副总设计师申麟这样解释。

垂直降落式

SpaceX公司回收成功的猎鹰9号火箭采用的是垂直降落回收的方式。为了实现垂直返回并降落到预定地点,猎鹰9号火箭被额外加装了液氮的冷气姿态控制系统和着陆腿,另外,在火箭的飞行控制上也进行了一些改进。

SpaceX采用垂直回收方式回收一级火箭

图:SpaceX采用垂直回收方式回收一级火箭

“猎鹰9号火箭在返回过程中面临两个关键难题,一个是受控再入大气层,另一个就是从高速状态受控垂直降落。这些对控制系统的要求很高,这也是为什么此次回收成功会引发业界广泛关注的原因。”航天一院研发中心高级工程师张京男分析说。

一子级回收只是猎鹰9火箭的第一阶段目标,在此基础上实现火箭二子级回收,进而实现完全可重复使用才是SpaceX的最终梦想。“火箭二子级回收的难度与返回式卫星和飞船技术在同一个级别。目前,掌握再入返回技术的国家屈指可数,难度可想而知。如果回收后的火箭还要重复使用,难度就更大。”张京男说。

上海航天技术研制院(航天八院),是我国运载火箭的主要研制力量。与航天一院不同,八院则更侧重垂直降落式回收。“我们一直在紧密跟踪国外航天机构可重复使用火箭的发展情况,尤其是SpaceX公司采用的垂直降落式。虽然猎鹰9这次回收成功了,但是真正的可重复使用火箭依然道路漫长。”八院805所高级工程师、总体室副主任毛承元也呼吁,相较于回收结果,希望大家更多关注的是SpaceX公司的成长,以及相关技术的发展及未来应用。

在航天一院研发中心高级工程师汪小卫看来,三种回收方式各有利弊。垂直降落式和降落伞式都对火箭的构型影响较小。但前者对火箭运载能力的损失较大,对运载控制精度要求较高,需要攻克技术难度很大,后者对火箭运载能力损失较少,也较容易实现,但不便于高精度定点着陆。对于第三种水平降落式,科研人员形象地把它比喻成给火箭安装上了翅膀,这种方式联合了航空和航天的技术优势,可以整体回收,但对火箭的布局设计影响最大,对地面配套设备的要求也很高。

可重复使用火箭能够快速、低成本地进入空间,因而一经提出便受到了航天界的高度关注。但实现火箭的可重复使用绝非易事,它依赖于再入控制技术、可重复使用发动机等一系列关键技术的突破。无论是猎鹰9号火箭采用的垂直降落回收方式,还是一院空投试验探索的降落伞回收方式,大家都还“在路上”。实现火箭可重复使用的目标,前途是光明的,但走完这条路必须克服重重困难。

作为火箭技术领域的“高大上”项目,可重复使用火箭技术在实现过程中必然遇到“路漫漫其修远兮”的境遇,但不管怎样,在路上总比没有上路更好。虽然人类现阶段通过可重复使用火箭往返太空的手段还不成熟,但这丝毫不会阻碍科研人员对“仰望星空”的执著追求。随着结构、材料、发动机等可重复使用火箭关键技术的突破,如星辰大海般的航天事业也必将迎来低成本太空探索的时代。

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