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回收火箭到底有多难

2020年06月05日   10: 解放周末/言讲   稿件来源:解放日报  


■唐庆博

近日,美国太空探索技术公司(SpaceX)的“龙”飞船首次载人试飞成功,将两名美国宇航员送入国际空间站。SpaceX最大的创新就是首次制造出可重复利用的火箭,那么,回收火箭到底有多难?请听中国运载火箭技术研究院研究发展中心高级工程师唐庆博在“造就Talk”演讲上介绍可回收火箭的技术难点。

2016年,SpaceX公司的猎鹰9运载火箭首次实现一子级回收。2017年,SpaceX又首次实现“二手火箭”的成功发射。2018年5月,“龙”货运飞船由最新型猎鹰9火箭发射升空,同时实现了陆上回收。它在小修状态下可以重复使用10次,大修状况下可使用100次。

这些年来,SpaceX公司及其创始人埃隆·马斯克对技术的探索和对科研的追求,一直在感动着我们。

人类是怎样实现宇宙探索的呢?我来给大家简单介绍一下。其实,火箭发射的原理与扔石头是一样的——你扔的速度越快,石头就落得越远。火箭也是一样,当它的飞行速度超过第一宇宙速度,也就是7.9千米/秒的时候,就可以围绕地球飞行;如果达到第二宇宙速度(11.2千米/秒),就可以脱离地球的束缚;如果达到第三宇宙速度(16.7千米/秒),则可以飞向更远的太空。

运载火箭的设计原理就是通过分级火箭按照“使用—分离—抛弃”的顺序,一级一级地把有效载荷运到轨道上去。

有人会问:火箭那么昂贵,每一次都抛掉子级是不是很浪费?确实如此。而且,在抛弃的过程中,有时候火箭残骸会砸到意想不到的地方,产生一些损害;也可能没掉到地面,再入轨的时候形成碎片,对整个轨道产生潜在的危害。

于是,很多科学家就设想,能不能把火箭收回来再次利用?实际上,几十年来,各个国家的科学家都一直在研究这个问题,而SpaceX公司则取得了突破性的进展。

SpaceX公司的火箭飞行轨迹是怎样的呢?

以它执行第一地球轨道任务为例。火箭起飞后140多秒的时候,高度为60公里左右,速度已经达到了非常快的6马赫(1马赫即一倍音速)。这时候它的一子级就关机,与二子级分离,之后发动机喷口朝着回收点的方向,进行第二次点火,来减小飞行的速度。

当飞行高度达到70公里左右,一子级上的栅格翼打开。它的作用有两个,一是利用气动进行减速,二是对火箭的姿态进行控制。接下来是第三次点火,快到着陆点的时候还有第四次点火,使速度降到5米/秒,着陆缓冲支撑腿打开。最后,也是最惊险的环节——垂直落在地面上。

这个过程说起来挺简单的,可是猎鹰火箭在实现海上回收之前曾经失败了4次,说明这件事还是挺难的。它究竟难在哪里呢?

第一个难点,因为加了回收这一步骤,所以火箭的总体参数优化和设计变复杂了。回收过程中首先需要有一定的动力,也就需要携带一部分的推进剂。在它落地过程中,气动加热会导致子级外壳出现一定的损失,这时候需要相应增重,而且可能需要对下落的弹道进行调整。打个比方,就好像既要它多扛货物,又要它本身体重轻,所以有很大的难度。

第二个难点,整个垂直返回的精度控制要求很高。我们可以把回收的过程比喻成一个动作——你手上有一支铅笔,要把这支铅笔抛出去,而且要让它垂直落在一个点上。这个过程分两个阶段:一是抛出去以后要准确找到那个点,因此导航制导精度要求特别高;二是它快要落地时要垂直降落,不能倾倒,这对它本身姿态的控制要求比较高。

第三个难点,火箭子级落地过程中,要对它本身的推力进行调节,有时候需要从60%调节到110%,调节范围比较大。

第四个难点,推进剂的管理难度大。它降落的时候,实际上是“半桶水”或者更少,这里有一个控制的问题。

第五个难点,着陆时的缓冲问题。猎鹰火箭的缓冲装置起的作用有三个:第一是防止倾倒,第二是缓冲着陆,第三还要忍受发动机喷射的高温。

总的来说,火箭的回收确实是挺难的一件事,它也有缺点,其中很大的一个缺点就是火箭子级回收的时候,它的运载能力损失较大。实际上,各国科学家都在想一些其他的回收方式,我想不久的将来也许可以看到更多样的成果。

去年,SpaceX还提出了星际运输系统,用来进行火星探测。该公司最大的火箭叫BFR,号称重复使用次数将达到1000次。届时,它可能就像飞机一样,能反复地使用。