火箭回收過程示意圖
飛機是現代社會常見的交通工具。一般來説，一架飛機的壽命為25年左右，起落次數3萬～8萬次，飛行時長4萬～8萬小時。在此期間，只要做好日常維護保養工作，飛機就可以在生命周期裏安穩服役。
多年以來，人類一直以不懈的探索和努力“回答”着這樣一個問題：我們是否能像乘坐班機一樣，乘坐航天飛行器自由往返天地之間呢？
前不久，我國自主研製的80噸級可重復使用液氧甲烷發動機進行了首次額定工況200秒長程試車，取得圓滿成功。這是一台以重復使用、低成本、高性能為研製目標設計的發動機，具有大範圍變推力、多次起動、重復使用、故障診斷及快速測發能力，是一款跨時代的發動機。這也意味着，我國朝火箭重復使用的目標又近了一步。
本期“科技大講堂”，由國防科技大學空天科學學院教授李清廉為您講述——
回收再利用，運載火箭新選擇
今天，火箭發射不再是一件稀罕事。觀看火箭發射，已經成為許多人遠行出游的新目標。當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，是否想過，火箭將飛往何方，又將落在哪？
事實上，這些帶給人們巨大震撼的火箭，在完成它的使命後，往往會被“拋棄”，經過大氣層的燒蝕後，剩餘的殘骸會直接掉落到地面或者海中。這是因為，如今我們使用的運載火箭大多是一次性使用火箭。這種火箭不需回收，也沒有壽命限制，因此結構簡單、研製成本較低。然而，一枚運載火箭的硬體成本就能佔到每次發射總成本的80%以上，這使得單位有效載荷的運輸成本非常高。因此，如果能回收火箭，經過維護後再重復使用，則可極大降低發射成本。有航天專家稱，“掌握了火箭回收並重復使用技術，可節省宇航發射成本80%左右，將對宇航事業産生重大影響。”
於是，重復使用火箭便應運而生。重復使用火箭的概念是相對於一次性使用火箭而言的，特指從地面起飛完成預定發射任務後，全部或部分返回並安全着陸，經過檢修維護與燃料加注，可再次執行發射任務的火箭。
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，即在火箭一級發動機工作結束並完成級間分離返回後，在低空採用降落傘減速，最後通過氣囊緩衝着陸或者直升機鉤住帶回地面。然而，這種方式不僅對着陸地形有要求，也無法實現火箭的定點着陸，且火箭落地後發動機也會隨之報廢，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。美國聯合發射聯盟公司的火神火箭擬採用傘降回收方案，由直升機在空中實現回收，但截至目前還未實現。
垂直回收，是在低空採用發動機反推減速並調整至指定地點的回收方案。採用垂直回收的典型代表，是美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹9號火箭。該火箭於2015年成功實現第一級火箭回收，也成為全世界首個實現第一級火箭回收的軌道飛行器。然而，以垂直下降方式降落地面，必須提前為發動機反推預留推進劑，這會對火箭運載能力造成一定的損失。
帶翼飛回，是利用空氣動力使火箭像飛機一樣滑翔降落。這種方案對火箭總體設計和返回控制技術要求較高。俄羅斯提出的貝加爾號有翼助推器方案就是典型的帶翼回收方案，貝加爾號為第一級帶翼飛回式助推器，可以像飛機一樣着陸。然而，帶翼飛回需要為火箭增加機翼、起落架等結構，這些結構重量等因素會使火箭運載能力損失約40%。
與傘降回收和帶翼飛回相比，垂直回收飛行載荷小、着陸精度高，並且對火箭自身結構設計的改動最小，在三種回收方式中經濟應用價值最高。垂直回收方案目前已經成為各國航天工程師研究的熱點。
液氧甲烷發動機，重復使用火箭的優選
就像汽車行駛需要汽油，火箭發射也需要添加燃料。火箭的燃料，被稱為“推進劑”。推進劑在火箭發動機中快速燃燒，為火箭提供能量。按照狀態來分，推進劑可以分為液體推進劑和固體推進劑兩類。經過長期試驗，科研人員們發現，採用低溫推進劑是液體火箭發動機可重復使用的基本前提。
低溫推進劑主要包括了液氧煤油、液氧液氫和液氧甲烷等推進劑組合。不同的推進劑在一定程度上影響着重復使用火箭的性能、運行維護以及使用壽命。
獵鷹9號火箭的梅林發動機，使用了液氧煤油推進劑。液氧煤油發動機密度比衝高，技術成熟。然而，液氧煤油發動機使用後，需要清除內部的煤油和積碳，維護工作較為繁瑣。
美國航天飛機主發動機SSME堪稱重復使用的鼻祖，採用的是液氧液氫發動機。液氧液氫發動機比衝最高，無積碳、無污染。但由於液氫製備難、儲存條件苛刻，運行維護成本要遠遠高於其他兩種推進劑組合。
隨着可重復使用需求的增加和液化天然氣的應用，液氧甲烷發動機逐漸成為各國航天工作者研究的熱點。
液氧甲烷推進劑具備比衝高、成本較低、清潔環保、維護使用方便等優點，適合發動機大規模生産和重復發射，本身也便於在太空中長期貯存。同時，甲烷還具備火星原位生産的可能，這也是液氧甲烷推進劑的獨特優勢。目前，液氧甲烷推進劑正在成為各國研究新一代重復使用火箭動力系統的主流選擇。
美國太空探索技術公司正在研發的猛禽發動機，是世界上第一款實用化的大推力液氧甲烷火箭發動機。目前，具有33&猛禽發動機的星艦超重助推器B7已經完成了首次發動機靜態點火測試，即將進行軌道飛行試驗。
歐洲的普羅米修斯液氧甲烷發動機已經被納入未來運載器準備計劃（FLPP），瞄準2030年左右的發射市場，為歐洲運載器的長期發展做好準備。
俄羅斯正在研究200噸級推力的RD-0162液氧甲烷發動機，計劃2030年前後投入使用。
中國藍箭航天研製的“天鵲”TQ-12的80噸級液氧甲烷發動機，已經在2022年進行了首次飛行試驗，助力朱雀二號火箭成功飛躍了卡門線（海拔100公里）。
重復使用火箭，開啟航天探索新征途
如今，重復使用火箭的優勢已初見端倪。截至2022年9月，獵鷹9號火箭已經成功回收一子級130多次，單枚火箭一子級復用次數最多達14次。其發射強度之高、經濟性之顯著，都令人驚嘆不已。
當然，距離可以自由往返天地之間的未來，目前還有許多關鍵技術有待突破。
首先，垂直回收的重復使用火箭要求發動機具備多次起動能力。火箭發動機多次起動技術是一項綜合性很強的技術，也是火箭發動機可重復使用的關鍵技術。由於液氧液氫、液氧煤油和液氧甲烷均為非自燃推進劑，燃燒室和燃氣發生器均需要多次點火，因而發動機需要具有可重復點火系統。同時，因為高空環境溫度低，點火時的狀態與發射前的地面點火會有所不同，例如點火延遲增大等，還需要該點火系統具備不同環境下的可靠工作能力。
其次，重復使用火箭的發動機需要能像天然氣灶一樣“調節火力”，即掌握大範圍變推力調節技術。由於在整個火箭發射回收過程中，推進劑在不斷消耗，導致火箭起飛時重量大，回收時重量要輕得多。獵鷹9號火箭起飛時9&發動機全部工作，回收第一階段減速僅需3&發動機工作即可；其單&發動機推力調節範圍為39%～100%，多&發動機並聯實現更大範圍推力調節。獵鷹9號火箭的梅林1D發動機採用了針栓式噴注器，這種噴注器曾應用於阿波羅登月艙下降級發動機中，通過特定的機械結構調整燃料和氧化劑流通通道面積，控制進入發動機燃燒室的流量，最終實現推力的調節。在我們需要的時候控制目標“火力”大小，不需要的時候“關火”，做到“隨用隨到”，是液體火箭發動機變推力的基本原理，也是我們未來發動機研製的方向之一。
此外，可重復使用液體火箭發動機還涉及低入口壓力啟動、發動機狀態評估檢測及健康管理、高溫組件結構抗疲勞壽命評估及延壽、全任務複雜力熱環境預示及控制等關鍵技術，其研製難度都超過一次性使用火箭的液體火箭發動機。
今年3月，據西班牙《國家報》消息，歐洲第一枚重復使用火箭繆拉-1已經進入發射倒計時。生産該火箭的西班牙航空航天運載公司希望通過重復使用火箭，以更低的成本、更高的效率，將更多的小衛星送往太空。
試想一下，當重復使用火箭技術高度成熟以後，我們可以更加自由地將更多人員和物資運往太空，開啟航天探索的新征途。一卷寫滿了航天夢的未來藍圖，正在徐徐展開。
