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出品:科普中國(guó)
制作:川陀太空(科普創(chuàng)作者)
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
近日,我國(guó)自主研發(fā)的朱雀三號(hào)可重復(fù)使用垂直回收試驗(yàn)箭,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成10公里級(jí)垂直起降返回飛行試驗(yàn),這是自2024年1月,朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭成功完成測(cè)試后又一個(gè)里程碑。
朱雀三號(hào)是我國(guó)民營(yíng)運(yùn)載火箭企業(yè)藍(lán)箭航天的產(chǎn)品,是朱雀系列火箭的最新型號(hào)。藍(lán)箭航天在2018年開始測(cè)試朱雀一號(hào),發(fā)展到如今的朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭,這標(biāo)志著我國(guó)商業(yè)航天在可重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)上取得重大突破,將來(lái)的發(fā)展方向是研發(fā)出可重復(fù)使用的高運(yùn)力低成本運(yùn)載火箭。
藍(lán)箭VTVL-1火箭進(jìn)行十公里高度回收試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)圖像
(圖片來(lái)源:藍(lán)箭航天)
藍(lán)箭航天朱雀三號(hào)大型可重復(fù)使用火箭垂直返回技術(shù)的VTVL-1試驗(yàn)箭
(圖片來(lái)源:藍(lán)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(jī)其實(shí)就是一種可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng),但它的問(wèn)題在于無(wú)法低成本使用。
引用美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心在2018年的會(huì)議數(shù)據(jù),航天飛機(jī)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(wàn)美元,而商業(yè)發(fā)射所使用的獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭,將22.8噸載荷送入近地軌道,成本為6200萬(wàn)美元,每公斤約2720美元。顯然航天飛機(jī)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(jī)計(jì)劃還涉及隔熱裝置安全性的問(wèn)題,導(dǎo)致美國(guó)宇航局不得不在發(fā)射一架航天飛機(jī)的時(shí)候,再準(zhǔn)備另一架航天飛機(jī)也矗立在另一個(gè)發(fā)射工位上,隨時(shí)準(zhǔn)備救援,進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)射成本增加。
兩架航天飛機(jī)同時(shí)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(jī)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(lái)源:NASA)
當(dāng)下對(duì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)營(yíng),那么可重復(fù)使用的意義就蕩然無(wú)存。從運(yùn)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(wèn)題,這里的成本并不是火箭發(fā)射的總費(fèi)用,而是根據(jù)發(fā)射報(bào)價(jià)和載荷質(zhì)量折算出的每公斤載荷進(jìn)入軌道的成本。
美戰(zhàn)略與國(guó)際研究中心(CSIS)的數(shù)據(jù)顯示,目前獵鷹重型火箭進(jìn)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(yùn)載火箭的9167美元和質(zhì)子火箭的4320美元。
送入軌道的費(fèi)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(shí)現(xiàn),這就是發(fā)展目前我們作為航天強(qiáng)國(guó)要發(fā)展可重復(fù)使用火箭的目標(biāo)。比如目前正在實(shí)施的千帆星座計(jì)劃、鴻鵠星座計(jì)劃、中國(guó)星網(wǎng)的GW星座計(jì)劃,都需要將上萬(wàn)顆衛(wèi)星送入近地軌道,我國(guó)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(yùn)載火箭,那么我們打造空間站的成本也會(huì)更低,空間站的規(guī)模自然也會(huì)增加,功能也會(huì)得到進(jìn)一步延伸。
千帆衛(wèi)星星座已經(jīng)開始打造
(圖片來(lái)源:CCTV)
可重復(fù)使用火箭的原理是什么?
目前我國(guó)研發(fā)的可重復(fù)使用火箭側(cè)重于對(duì)第一級(jí)助推器的回收,從而實(shí)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(jí)垂直降落,就需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴射方向,并控制火箭的姿態(tài),在降落過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)向下噴射氣流,產(chǎn)生向上的反作用力,逐步控制第一級(jí)的下落速度,在距離地面一定高度時(shí),展開著陸腿,最終實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)垂直軟著陸。
技術(shù)方面涉及發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)推力,第一級(jí)返回時(shí)姿態(tài)控制的相關(guān)技術(shù)等,同時(shí)還需要研發(fā)出能夠重復(fù)使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。目前可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)比較理想的動(dòng)力就是液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī),我國(guó)朱雀二號(hào)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(dòng)機(jī),200噸級(jí)YF215液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)也在研發(fā)中,這是我國(guó)第一款采用全流量分級(jí)燃燒循環(huán)技術(shù)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī),有利于我國(guó)擴(kuò)展空間探索。
朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭在我國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空
(圖片來(lái)源:新華社)
回收第一級(jí)助推器對(duì)火箭的可重復(fù)使用意義重大??芍貜?fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)的成本較高,大約可占整個(gè)火箭發(fā)射成本的六至七成,主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)比較昂貴,獵鷹9號(hào)使用9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)按約200萬(wàn)美元算,第一級(jí)助推器的成本僅發(fā)動(dòng)機(jī)一項(xiàng)就要花費(fèi)約1800萬(wàn)美元,占一次發(fā)射6200萬(wàn)美元報(bào)價(jià)的比重較大。
如果助推器數(shù)量較多,比如達(dá)到三個(gè),那么這些助推器對(duì)發(fā)射成本的影響就更大了。同時(shí),第一級(jí)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(yuǎn)低于第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的回收。
朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭這次試飛,驗(yàn)證的就是垂直返回技術(shù),一子級(jí)點(diǎn)火升空后到達(dá)了10公里的高度,之所以選擇這個(gè)高度,是因?yàn)?0公里有足夠的高度可以驗(yàn)證各種各樣的擾動(dòng),一子級(jí)在下降過(guò)程中可通過(guò)格柵舵、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)垂直反推和重啟,對(duì)姿態(tài)進(jìn)行聯(lián)合控制,這些都是朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭要測(cè)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(dòng)能和勢(shì)能,確保火箭在復(fù)雜條件下安全著陸。
朱雀三號(hào)VTVL-1火箭有何特點(diǎn)?
朱雀三號(hào)VTVL-1的定位是驗(yàn)證火箭,是以全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)建的工程樣機(jī),藍(lán)箭航天計(jì)劃通過(guò)垂直起降回收試驗(yàn),驗(yàn)證多項(xiàng)重復(fù)使用火箭的關(guān)鍵技術(shù)。
該試驗(yàn)箭為單級(jí)液氧甲烷火箭,箭體直徑3.35米,長(zhǎng)度18.3米,起飛質(zhì)量約68噸,搭載80噸級(jí)天鵲-12改進(jìn)型液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī),具有變推力調(diào)節(jié)和多次點(diǎn)火能力。箭體使用高強(qiáng)度不銹鋼箭體結(jié)構(gòu),有4片柵格舵系統(tǒng),軟著陸時(shí),有3組著陸緩沖機(jī)構(gòu)。從外觀上可以確定,朱雀三號(hào)VTVL-1并非最終定型的型號(hào),仍然以試驗(yàn)為主,全狀態(tài)的朱雀三號(hào)將在2025年首飛。
我國(guó)垂直降落技術(shù)展示
(圖片來(lái)源:新華網(wǎng))
朱雀三號(hào)全狀態(tài)圖像
(圖片來(lái)源:藍(lán)箭航天)
驗(yàn)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(yàn)證火箭并沒有整流罩,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只需滿足測(cè)試所需的硬件條件即可。
全狀態(tài)的朱雀三號(hào)將搭載9臺(tái)天鵲-12改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī),可將12至21噸的載荷送入近地軌道,在國(guó)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(guó)家也只有中美,但是我國(guó)民營(yíng)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(hào)外,還有雙曲線三號(hào)運(yùn)載火箭、天龍三號(hào)運(yùn)載火箭等等,形成一種百花齊放的競(jìng)爭(zhēng)局面,對(duì)我國(guó)大規(guī)模開發(fā)近地軌道空間奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
由于可重復(fù)使用火箭對(duì)比的并非是運(yùn)載能力,所以評(píng)價(jià)一款可重復(fù)使用火箭的能力,并不是運(yùn)載能力越大越好,而是在一定條件下每公斤載荷進(jìn)入軌道的成本,顯然這個(gè)成本在不影響運(yùn)力的情況下越低,則代表這款火箭更加優(yōu)秀。從這個(gè)角度看,朱雀三號(hào),還有天龍三號(hào)都有極強(qiáng)的低成本潛力。
參考文獻(xiàn):
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(guó)打造“千帆星座”邁出重要一步
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