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中國火箭重復使用還要邁幾道坎
2019-08-05 09:10:05 來源: 中國青年報
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  要火箭既能“正著飛”也能“倒著飛” 中國火箭重復使用還要邁幾道坎

  7月26日11時57分,長徵二號丙運載火箭在西昌衛星發射中心成功發射,我國首次完成了基于柵格舵的火箭殘骸落區安全控制技術試驗,成為繼美國之後第二個掌握此項技術的國家。圖為柵格舵視頻截圖。

  7月26日,一條看似稀松平常的消息,卻在航天圈裏炸開了鍋。

  當天中午11時57分,長徵二號丙運載火箭在西昌衛星發射中心點火起飛,成功實現“一箭三星”發射。看似常態的一次火箭發射,卻承擔著一個鮮為人知的試驗任務——火箭一子級的精準回收。

  直到兩天後,這個細節才對外公布。來自中國航天科技集團7月28日的消息稱,這一被稱作“柵格舵分離體落區安全控制技術試驗”的成功,標志著我國成為繼美國之後第二個掌握此項技術的國家,同時中國航天在落點可控、精準回收領域取得了重大突破,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,正是這個創意讓業內外人士激動不已。放眼全球,目前只有美國“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克麾下的獵鷹火箭,實現了運載火箭的低成本、可重復使用,過去5年,該火箭先後完成陸地、海上回收,被認為是商業航天領域典型的成功案例,也再一次點燃了人類移民火星的夢想。

  如今,中國火箭回收技術驗證邁出一小步,距離真正的火箭重復使用還有多遠?

  便宜高效,更關乎安全

  所謂運載火箭的重復使用,就是讓火箭的助推器、一子級等部件在發射後安全返回,經過整修後重復利用。這個看似科幻式的設想,不僅已經成為現實,還正在成為各航天大國爭相發展、角力比拼的新舞臺。

  至于原因,成本低是業內人士的第一個共識。

  根據美國國家航空航天局(NASA)發布的報告,同樣一枚“獵鷹-9”火箭,由NASA研發至少要13億美元,而商業公司僅花費了不到4億美元。

  也因此有人評價,埃隆·馬斯克,這個擁有億萬擁躉的商業航天領軍者,已經將航天發射的價格拉低了一個數量級。

  一位航天專家告訴中國青年報·中國青年網記者,埃隆·馬斯克的商業公司憑借低成本的産品贏得了航天市場青睞,其“獵鷹-9”火箭已獲得了未來5年全球38個發射合同,其中除政府的14個合同外,24個都來自國際商業發射市場。2015年5月,這家公司還獲得了執行美國軍用航天發射任務的資格。

  成本降低的同時,效率也在提高。

  首先是研制周期縮短,“獵鷹-9”從設計到首飛,僅用了4年半;其次是技術創新加快,“獵鷹-9”進行了可重復使用火箭係列試驗,陸地和海上平臺回收試驗均取得成功。這位專家告訴記者,商業航天管理機構建立扁平化組織機構,在很大程度上縮短了管理鏈條。

  對于眼下的中國,這件事還有更為現實的意義——安全問題。

  按照中國航天科技集團第一研究院第一設計部主任助理何巍的説法,近些年,我國運載火箭高強密度發射已經成為常態,尤其是2018年,發射次數達到38次,位列世界第一。隨之而來的火箭殘骸落區安全問題,越來越受關注。

  何巍告訴記者,由于人口數量的增長,上世紀六七十年代建立的內陸火箭發射場周邊的火箭殘骸落區,不再是“絕對的無人區”。盡管在設計火箭的飛行軌跡時,寧可犧牲運載能力也要盡量避開村鎮,但由于火箭殘骸在完成任務後是無控墜落,落點散布范圍較大,有時可能墜落在有人居住的區域。

  當前的做法是:在每次發射任務前,將落區內百姓疏散到安全地帶。不過,這不僅給當地百姓帶來不便,也增加了火箭發射的經濟成本和工作難度。

  中國航天需要一條新的出路。

  何巍説,為了減少火箭發射給落區居民帶來的不便,長徵火箭研制人員一直在進行分離體落區安全控制技術的研究。此次長徵二號丙運載火箭一子級的落點控制,採用的柵格舵控制,對于解決我國內陸發射場落區安全性問題具有重大意義。

  要火箭“正著飛”,也能“倒著飛”

  于是,來自中國的火箭“回收”嘗試來了。

  7月26日13時40分,也就是長徵二號丙運載火箭點火起飛103分鐘之後,在貴州黔南州設定的落區范圍內,試驗人員順利找到了該火箭一子級殘骸。

  長徵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。按照長徵二號丙火箭副總設計師崔照雲的説法,這次嘗試,形象地説就是讓火箭“倒著飛”——

  長徵二號丙運載火箭上升時,位于一子級外側壁的幾片柵格舵緊貼箭體,以避免對發射造成影響。一子級分離後,重新返回大氣層,柵格舵完成了“解鎖-展開-按控制指令轉動”等一係列復雜動作,並承受了上千攝氏度高溫、近10倍自重的衝擊力。

  小小的柵格舵,展開後如小翅膀,保持著箭體姿態穩定,幫助一子級精準回歸地面。

  “其他火箭設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。”長徵二號丙運載火箭研發團隊設計師張大銘説。

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

  此前,我國發射神舟載人飛船的長徵二號F火箭,也曾安裝過柵格翼,其目的是保證逃逸飛行器的穩定性。

  崔照雲説,長徵二號F火箭的柵格翼展開後是固定不動的,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。

  比如,全球唯一實現重復使用的“獵鷹-9”火箭,使用的就是柵格舵技術。

  2015年12月,在“獵鷹-9”火箭第20次發射任務中,一子級首次成功著陸。一子級重返大氣後,進行減速,調整箭體姿態。接近地面時,火箭一子級頂部四個柵格翼展開,對箭體姿態進行穩定。主發動機再次點火,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,我國試驗採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”。

  崔照雲説,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,要保證對火箭發射不能造成任何影響;在一子級返回地面過程中,柵格舵要經受上千攝氏度高溫、近10倍自重的衝擊力,對提升研發制造技術不失為一種“巨大挑戰”。

  現在“落得準”,將來要“落得穩”

  接受這個“有很大難度”任務的,卻是一支只有10余人、平均年齡不足35歲的年輕研發團隊。于他們而言,最大的特點就是“敢闖敢幹”。

  以電氣係統為例,這是控制柵格舵動作的“大腦”,新一代電氣係統首次從實驗室飛向藍天,成功完成了飛行控制和數據傳輸任務。

  電氣係統負責人彭越告訴記者,火箭上傳統的電氣係統,雖然設計成熟、性能穩定、飛行成功經驗多,但單機設備體積大、數量多、成本高,顯得較為臃腫。這次下決心要做新一代電氣係統,就是將測量、控制、遙測遙控等功能統統整合在一個約為巴掌大小的盒子裏。

  “柵格舵控制的核心算法全部自主完成,手機安裝配套的應用程序就知道火箭被控部件下落的實時位置。可以説是重量不大功能全,價格不高可靠性高。”彭越説。

  面對成功,這些年輕人興奮之余,也清醒地意識到:這次試驗與真正的火箭重復使用尚有距離。實現重復使用,火箭不僅要“落得準”,還要“落得穩”。

  中國工程院院士、中國航天科技集團第一研究院長徵係列運載火箭高級顧問龍樂豪曾表示,對于包括長徵三號甲、長徵四號在內的現役運載火箭,無法重復使用,只能通過回收技術,實現落區精確控制,確保其航區安全。

  “中國重復使用運載器的技術研發應按照從“部分重復使用”到“完全重復使用”的發展思路。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鍵技術研究。”龍樂豪説,火箭將採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後作為一個整體進行垂直著陸、重復使用。火箭一、二級分離後,採用整體垂直降落的返回方式實現減速和著陸,可根據不同任務需求返回原發射場或其他發射場。

  根據中國航天科技集團第一研究院此前發布的《2017-2045年航天運輸係統發展路線圖》,到2030年前後,我國將研制成功以火箭發動機為動力的兩級完全重復使用運載器,航天運輸係統水平和能力進入世界航天強國前列。到2035年左右,運載火箭實現完全重復使用。

  那時,快速而廉價地進出太空,進行太空旅遊,太空制造、太空農業、太空採礦等等,或許都有望從科幻大片裏走進現實。(記者 邱晨輝)

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【糾錯】 責任編輯: 劉陽
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