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        中國(guó)火箭重復(fù)使用還要邁過幾道坎

        2019-04-09 17:24:52
        發(fā)明與創(chuàng)新 2019年33期
        關(guān)鍵詞:箭體落區(qū)中國(guó)航天科技集團(tuán)

        圖為長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭,深色部分為該火箭一子級(jí)(圖/中國(guó)航天科技集團(tuán))

        7 月26 日,一條看似平常的消息,卻在航天圈里炸開了鍋。

        當(dāng)天中午11 時(shí)57 分,長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火起飛,成功實(shí)現(xiàn)“一箭三星”發(fā)射。看似常態(tài)的一次火箭發(fā)射,卻承擔(dān)著一個(gè)鮮為人知的試驗(yàn)任務(wù)——火箭一子級(jí)的精準(zhǔn)回收。

        直到兩天后,這個(gè)細(xì)節(jié)才對(duì)外公布。來自中國(guó)航天科技集團(tuán)的消息稱,這一被稱作“柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)試驗(yàn)”的成功,標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)掌握此項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家,同時(shí)中國(guó)航天在落點(diǎn)可控、精準(zhǔn)回收領(lǐng)域取得了重大突破,向打造可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

        可重復(fù)使用火箭?是的,正是這個(gè)創(chuàng)意讓業(yè)內(nèi)外人士激動(dòng)不已。如今,中國(guó)火箭回收技術(shù)驗(yàn)證邁出一小步,那么距離真正的火箭重復(fù)使用還有多遠(yuǎn)?

        讓火箭“倒著飛”

        7 月26 日13 時(shí)40 分,也就是長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭點(diǎn)火起飛103 分鐘之后,在貴州黔南州設(shè)定的落區(qū)范圍內(nèi),試驗(yàn)人員順利找到了該火箭一子級(jí)殘骸。

        長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭由中國(guó)航天科技集團(tuán)第一研究院抓總研制。按照長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭副總設(shè)計(jì)師崔照云的說法,這次嘗試,形象地說就是讓火箭“倒著飛”——長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭上升時(shí),位于一子級(jí)外側(cè)壁的幾片柵格舵緊貼箭體,以避免對(duì)發(fā)射造成影響。一子級(jí)分離后,重新返回大氣層,柵格舵完成了解鎖—展開—按控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)等一系列復(fù)雜動(dòng)作。

        小小的柵格舵,展開后如小翅膀,保持著箭體姿態(tài)穩(wěn)定,幫助一子級(jí)精準(zhǔn)回歸地面。

        “其他火箭設(shè)計(jì)師都是解決火箭如何‘正著飛’進(jìn)入軌道,我們卻逆向思維,探究‘倒著飛’的問題。”長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)師張大銘說。

        事實(shí)上,針對(duì)分離體落區(qū)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(shù)方案。

        此前,我國(guó)發(fā)射神舟系列載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F 運(yùn)載火箭,也曾安裝過柵格翼,其目的是保證逃逸飛行器的穩(wěn)定性。

        崔照云說,長(zhǎng)征二號(hào)F 運(yùn)載火箭的柵格翼展開后是固定不動(dòng)的,近幾年,國(guó)外火箭上才開始通過可擺動(dòng)的柵格舵來控制箭體的方向和姿態(tài)。

        比如,全球唯一實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的“獵鷹-9”火箭,使用的就是柵格舵技術(shù)。

        2015 年12 月,在“獵鷹-9”火箭第20 次發(fā)射任務(wù)中,一子級(jí)首次成功著陸。一子級(jí)重返大氣后,進(jìn)行減速,調(diào)整箭體姿態(tài)。接近地面時(shí),火箭一子級(jí)頂部四個(gè)柵格翼展開,對(duì)箭體姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定。主發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火,火箭進(jìn)一步減速,一子級(jí)逐漸接近地面著陸場(chǎng),實(shí)施軟著陸。

        如今,我國(guó)試驗(yàn)采用柵格舵控制殘骸落點(diǎn),也屬首次嘗試,科研人員擔(dān)負(fù)著“巨大的心理壓力”。

        崔照云說,此次試驗(yàn)選擇在大中型成熟運(yùn)載火箭最大的一子級(jí)上安裝柵格舵,要保證對(duì)火箭發(fā)射不造成任何影響;在一子級(jí)返回地面過程中,柵格舵要經(jīng)受上千攝氏度高溫、近10 倍自重的沖擊力,對(duì)提升研發(fā)制造技術(shù)不失為一種“巨大挑戰(zhàn)”。

        可解決內(nèi)陸火箭殘骸落區(qū)安全問題

        所謂運(yùn)載火箭的重復(fù)使用,就是讓火箭的助推器、一子級(jí)等部件在發(fā)射后安全返回,經(jīng)過整修后重復(fù)利用。這個(gè)看似科幻式的設(shè)想,不僅已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí),還正在成為各航天大國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展、角力比拼的新舞臺(tái)。

        至于原因,成本低是業(yè)內(nèi)人士的第一個(gè)共識(shí)。

        根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)布的報(bào)告,同樣一枚“獵鷹-9”火箭,由NASA 研發(fā)至少要13 億美元,而商業(yè)公司僅花費(fèi)不到4 億美元。

        因此也有人評(píng)價(jià),埃隆·馬斯克,這個(gè)擁有億萬擁躉的商業(yè)航天領(lǐng)軍者,已經(jīng)將航天發(fā)射的價(jià)格拉低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

        對(duì)中國(guó)而言,這件事還有著更為現(xiàn)實(shí)的意義——減少傳統(tǒng)火箭發(fā)射時(shí)給落區(qū)百姓帶來的不便。

        全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩指出,傳統(tǒng)火箭發(fā)射時(shí),第一級(jí)、第二級(jí)甚至整流罩等殘骸完成任務(wù)后從高空無控墜落,落點(diǎn)散布范圍較大,可能涉及有人居住的區(qū)域。為保障人員安全,我國(guó)當(dāng)前的做法是在每次火箭發(fā)射之前,將落區(qū)內(nèi)百姓疏散到安全地帶。這不僅給當(dāng)?shù)匕傩諑聿槐?,也增加了火箭發(fā)射的經(jīng)濟(jì)成本和工作難度?,F(xiàn)實(shí)的問題是,由于社會(huì)迅猛發(fā)展和人口數(shù)量激增,我國(guó)于20 世紀(jì)六七十年代建立的內(nèi)陸火箭發(fā)射場(chǎng)周邊,火箭殘骸落區(qū)不再是絕對(duì)的無人區(qū),近年有關(guān)貴州、江西等地的火箭殘骸掉落事件不時(shí)出現(xiàn)在新聞媒體上。掌握火箭殘骸落點(diǎn)可控技術(shù)后,對(duì)于解決我國(guó)內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)落區(qū)安全性問題具有重大的意義。

        中國(guó)航天專家、小火箭聯(lián)合會(huì)創(chuàng)始人邢強(qiáng)介紹說,受先天的地理位置因素影響,火箭殘骸的落區(qū)問題讓不少國(guó)家頭疼。例如早年英國(guó)就因?yàn)檫\(yùn)載火箭殘骸的落區(qū)位于法國(guó)巴黎和德國(guó)柏林附近,被迫放棄在英倫三島發(fā)射火箭的計(jì)劃。相對(duì)而言,美國(guó)在此方面得天獨(dú)厚,從肯尼迪航天中心發(fā)射的火箭殘骸會(huì)落到大西洋,從范登堡空軍基地發(fā)射的火箭落區(qū)在太平洋,因此美國(guó)發(fā)展相關(guān)技術(shù)的原因集中在火箭可重復(fù)使用上。而中國(guó)除了海南文昌發(fā)射中心外,現(xiàn)有內(nèi)陸火箭發(fā)射場(chǎng)都更要注重落區(qū)安全問題,因此可以說,中國(guó)比美國(guó)更需要掌握火箭殘骸的落點(diǎn)可控技術(shù)。

        現(xiàn)在“落得準(zhǔn)”,將來要“落得穩(wěn)”

        柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)試驗(yàn)的成功,與真正的火箭重復(fù)使用尚有距離。實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用,火箭不僅要“落得準(zhǔn)”,還要“落得穩(wěn)”。

        中國(guó)工程院院士、中國(guó)航天科技集團(tuán)第一研究院長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭高級(jí)顧問龍樂豪曾表示,對(duì)于包括長(zhǎng)征三號(hào)甲、長(zhǎng)征四號(hào)在內(nèi)的現(xiàn)役運(yùn)載火箭,無法重復(fù)使用,只能通過回收技術(shù),實(shí)現(xiàn)落區(qū)精確控制,確保其航區(qū)安全。

        “中國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器的技術(shù)研發(fā)應(yīng)按照從‘部分重復(fù)使用’到‘完全重復(fù)使用’的發(fā)展思路。未來的新型運(yùn)載火箭,從立項(xiàng)研制開始就要開展垂直起降關(guān)鍵技術(shù)研究?!饼垬泛勒f,火箭將采用芯級(jí)與助推捆綁整體垂直降落回收方式:兩個(gè)助推器與一子級(jí)捆綁后作為一個(gè)整體進(jìn)行垂直著陸、重復(fù)使用。火箭一、二級(jí)分離后,采用整體垂直降落的返回方式實(shí)現(xiàn)減速和著陸,可根據(jù)不同任務(wù)需求返回原發(fā)射場(chǎng)或其他發(fā)射場(chǎng)。

        根據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)第一研究院此前發(fā)布的《2017—2045 年航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路線圖》,到2030 年前后,我國(guó)將研制成功以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的兩級(jí)完全重復(fù)使用運(yùn)載器,航天運(yùn)輸系統(tǒng)水平和能力進(jìn)入世界航天強(qiáng)國(guó)前列。到2035 年左右,運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用。

        那時(shí),快速而廉價(jià)地進(jìn)出太空,去太空旅游,太空制造、太空農(nóng)業(yè)、太空采礦,等等,或許都有望從科幻大片里走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。(據(jù)《中國(guó)青年報(bào)》《新京報(bào)》)

        圖中網(wǎng)格狀的部分叫作“柵格舵”(圖/中國(guó)航天科技集團(tuán))

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