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能“正着飞”也能“倒着飞”,中国火箭重复使用还要迈几道坎

作者:邱晨辉 文章来源:中国青年报 发布时间: 2019-08-05 字体:【】【】【

  

7月26日11时57分,长征二号丙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射,我国首次完成了基于栅格舵的火箭残骸落区安全控制技术试验,成为继美国之后第二个掌握此项技术的国家。图为栅格舵视频截图。

  

  7月26日,一条看似稀松平常的消息,却在航天圈里炸开了锅。 

  当天中午11时57分,长征二号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火起飞,成功实现“一箭三星”发射。看似常态的一次火箭发射,却承担着一个鲜为人知的试验任务——火箭一子级的精准回收。 

  直到两天后,这个细节才对外公布。来自中国航天科技集团7月28日的消息称,这一被称作“栅格舵分离体落区安全控制技术试验”的成功,标志着我国成为继美国之后第二个掌握此项技术的国家,同时中国航天在落点可控、精准回收领域取得了重大突破,向打造可重复使用的运载火箭迈出了坚实的一步。 

  可重复使用火箭?是的,正是这个创意让业内外人士激动不已。放眼全球,目前只有美国“钢铁侠”埃隆•马斯克麾下的猎鹰火箭,实现了运载火箭的低成本、可重复使用,过去5年,该火箭先后完成陆地、海上回收,被认为是商业航天领域典型的成功案例,也再一次点燃了人类移民火星的梦想。 

  如今,中国火箭回收技术验证迈出一小步,距离真正的火箭重复使用还有多远? 

  便宜高效,更关乎安全 

  所谓运载火箭的重复使用,就是让火箭的助推器、一子级等部件在发射后安全返回,经过整修后重复利用。这个看似科幻式的设想,不仅已经成为现实,还正在成为各航天大国争相发展、角力比拼的新舞台。 

  至于原因,成本低是业内人士的第一个共识。 

  根据美国国家航空航天局(NASA)发布的报告,同样一枚“猎鹰-9”火箭,由NASA研发至少要13亿美元,而商业公司仅花费了不到4亿美元。 

  也因此有人评价,埃隆•马斯克,这个拥有亿万拥趸的商业航天领军者,已经将航天发射的价格拉低了一个数量级。 

  一位航天专家告诉中国青年报•中国青年网记者,埃隆•马斯克的商业公司凭借低成本的产品赢得了航天市场青睐,其“猎鹰-9”火箭已获得了未来5年全球38个发射合同,其中除政府的14个合同外,24个都来自国际商业发射市场。2015年5月,这家公司还获得了执行美国军用航天发射任务的资格。 

  成本降低的同时,效率也在提高。 

  首先是研制周期缩短,“猎鹰-9”从设计到首飞,仅用了4年半;其次是技术创新加快,“猎鹰-9”进行了可重复使用火箭系列试验,陆地和海上平台回收试验均取得成功。这位专家告诉记者,商业航天管理机构建立扁平化组织机构,在很大程度上缩短了管理链条。 

  对于眼下的中国,这件事还有更为现实的意义——安全问题。 

  按照中国航天科技集团第一研究院第一设计部主任助理何巍的说法,近些年,我国运载火箭高强密度发射已经成为常态,尤其是2018年,发射次数达到38次,位列世界第一。随之而来的火箭残骸落区安全问题,越来越受关注。 

  何巍告诉记者,由于人口数量的增长,上世纪六七十年代建立的内陆火箭发射场周边的火箭残骸落区,不再是“绝对的无人区”。尽管在设计火箭的飞行轨迹时,宁可牺牲运载能力也要尽量避开村镇,但由于火箭残骸在完成任务后是无控坠落,落点散布范围较大,有时可能坠落在有人居住的区域。 

  当前的做法是:在每次发射任务前,将落区内百姓疏散到安全地带。不过,这不仅给当地百姓带来不便,也增加了火箭发射的经济成本和工作难度。 

  中国航天需要一条新的出路。 

  何巍说,为了减少火箭发射给落区居民带来的不便,长征火箭研制人员一直在进行分离体落区安全控制技术的研究。此次长征二号丙运载火箭一子级的落点控制,采用的栅格舵控制,对于解决我国内陆发射场落区安全性问题具有重大意义。 

  要火箭“正着飞”,也能“倒着飞” 

  于是,来自中国的火箭“回收”尝试来了。 

  7月26日13时40分,也就是长征二号丙运载火箭点火起飞103分钟之后,在贵州黔南州设定的落区范围内,试验人员顺利找到了该火箭一子级残骸。 

  长征二号丙运载火箭由中国航天科技集团第一研究院抓总研制。按照长征二号丙火箭副总设计师崔照云的说法,这次尝试,形象地说就是让火箭“倒着飞”—— 

  长征二号丙运载火箭上升时,位于一子级外侧壁的几片栅格舵紧贴箭体,以避免对发射造成影响。一子级分离后,重新返回大气层,栅格舵完成了“解锁-展开-按控制指令转动”等一系列复杂动作,并承受了上千摄氏度高温、近10倍自重的冲击力。 

  小小的栅格舵,展开后如小翅膀,保持着箭体姿态稳定,帮助一子级精准回归地面。 

  “其他火箭设计师都是解决火箭如何‘正着飞’进入轨道,我们却逆向思维,探究‘倒着飞’的问题。”长征二号丙运载火箭研发团队设计师张大铭说。 

  事实上,针对分离体落区安全控制,研制人员曾提出通过翼伞回收和栅格舵返回两种技术方案。 

  此前,我国发射神舟载人飞船的长征二号F火箭,也曾安装过栅格翼,其目的是保证逃逸飞行器的稳定性。 

  崔照云说,长征二号F火箭的栅格翼展开后是固定不动的,近几年,国外火箭上才开始通过可摆动的栅格舵来控制箭体的方向和姿态。 

  比如,全球唯一实现重复使用的“猎鹰-9”火箭,使用的就是栅格舵技术。 

  2015年12月,在“猎鹰-9”火箭第20次发射任务中,一子级首次成功着陆。一子级重返大气后,进行减速,调整箭体姿态。接近地面时,火箭一子级顶部四个栅格翼展开,对箭体姿态进行稳定。主发动机再次点火,火箭进一步减速,一子级逐渐接近地面着陆场,实施软着陆。 

  如今,我国试验采用栅格舵控制残骸落点,也属首次尝试,科研人员担负着“巨大的心理压力”。 

  崔照云说,此次试验选择在大中型成熟运载火箭最大的一子级上安装栅格舵,要保证对火箭发射不能造成任何影响;在一子级返回地面过程中,栅格舵要经受上千摄氏度高温、近10倍自重的冲击力,对提升研发制造技术不失为一种“巨大挑战”。 

  现在“落得准”,将来要“落得稳” 

  接受这个“有很大难度”任务的,却是一支只有10余人、平均年龄不足35岁的年轻研发团队。于他们而言,最大的特点就是“敢闯敢干”。 

  以电气系统为例,这是控制栅格舵动作的“大脑”,新一代电气系统首次从实验室飞向蓝天,成功完成了飞行控制和数据传输任务。 

  电气系统负责人彭越告诉记者,火箭上传统的电气系统,虽然设计成熟、性能稳定、飞行成功经验多,但单机设备体积大、数量多、成本高,显得较为臃肿。这次下决心要做新一代电气系统,就是将测量、控制、遥测遥控等功能统统整合在一个约为巴掌大小的盒子里。 

  “栅格舵控制的核心算法全部自主完成,手机安装配套的应用程序就知道火箭被控部件下落的实时位置。可以说是重量不大功能全,价格不高可靠性高。”彭越说。 

  面对成功,这些年轻人兴奋之余,也清醒地意识到:这次试验与真正的火箭重复使用尚有距离。实现重复使用,火箭不仅要“落得准”,还要“落得稳”。 

  中国工程院院士、中国航天科技集团第一研究院长征系列运载火箭高级顾问龙乐豪曾表示,对于包括长征三号甲、长征四号在内的现役运载火箭,无法重复使用,只能通过回收技术,实现落区精确控制,确保其航区安全。 

  “中国重复使用运载器的技术研发应按照从“部分重复使用”到“完全重复使用”的发展思路。未来的新型运载火箭,从立项研制开始就要开展垂直起降关键技术研究。”龙乐豪说,火箭将采用芯级与助推捆绑整体垂直降落回收方式:两个助推器与一子级捆绑后作为一个整体进行垂直着陆、重复使用。火箭一、二级分离后,采用整体垂直降落的返回方式实现减速和着陆,可根据不同任务需求返回原发射场或其他发射场。 

  根据中国航天科技集团第一研究院此前发布的《2017-2045年航天运输系统发展路线图》,到2030年前后,我国将研制成功以火箭发动机为动力的两级完全重复使用运载器,航天运输系统水平和能力进入世界航天强国前列。到2035年左右,运载火箭实现完全重复使用。 

  那时,快速而廉价地进出太空,进行太空旅游,太空制造、太空农业、太空采矿等等,或许都有望从科幻大片里走进现实。 

  (原标题:要火箭既能“正着飞”也能“倒着飞” 中国火箭重复使用还要迈几道坎)