可回收火箭(Reusable Rockets),是指能夠部分或全部回收火箭部件并重復使用的火箭。
火箭的制造與發射一直是一個極其昂貴的過程,為了節省成本,20世紀的美國和蘇聯在太空競賽的背景下提出了利用可回收的優勢發展航天飛機,然而事實證明由于系統過于復雜、再利用成本也極其昂貴,航天飛機成為一個失敗的科研項目。2015年11月24日,美國藍色起源宣布其研發人員已成功實現新謝潑德號火箭的垂直著陸回收。同年12月21日,美國SpaceX在經歷了幾次海上回收失敗后,決定采用陸地回收的策略,發射的獵鷹9號在佛羅里達州卡納維拉爾角成功實現第一節火箭軟著陸。中國、俄羅斯、印度、歐洲、日本等國都在研制可回收火箭,但研究成果還未能與SpaceX公司比肩。截至2022年,世界上已有美國獵鷹火箭、美國星艦、美國“新謝潑德”火箭、中國長征八號運載火箭、中國新一代運載火箭等可回收火箭類型。2023年11月,中國可重復使用驗證火箭雙曲線二號(SQX-2Y)在酒泉衛星發射中心點火升空,約1分鐘后,火箭在目標著陸點平穩精確著陸回收。2024年3月,中國航天科技集團宣布正在研制4米級、5米級的可回收火箭,并計劃分別于2025年和2026年首飛。6月23日,中國重復使用運載火箭首次10公里級垂直起降飛行試驗圓滿成功。
對于運載火箭的回收與重復使用,實現箭體回收是第一步,也是最為關鍵的步驟。可回收火箭回收方法有傘降回收、垂直返回和帶翼飛回三種回收方式。與一次性運載火箭相比,可回收火箭不僅涉及到上升段,還涉及到返回段。返回過程涉及到總體、彈道、氣動、控制、載荷、防熱、結構等多個專業,總體設計流程和設計方法較一次性運載火箭更復雜,還需考慮全壽命周期的系統融合設計,并采用智能技術,有利于可回收火箭的性能提升。可回收火箭在未來的國際角逐中將扮演關鍵角色。早在火箭發展的初始階段,馮·布勞恩和錢學森就提出了重復使用天地往返運輸系統的概念。目的是通過火箭自身可靠性、多次重復使用來均攤費用,實現更加便捷和低成本地進入太空,甚至于為外星探索、外星移民做準備。
發展歷史
初期發展
早在19世紀30年代,奧地利著名物理學家尤金·桑格爾(Eugene·Sanger,1905-1964)手繪了一張草圖大膽設想了采用火箭發動機的飛機,火箭發動機在這時被提出來作為飛往空間的工具。德國火箭專家韋納·馮·布勞恩(Weiner Von Braun,1921-1977)在20世紀50年代末提出可重復使用天地往返運輸系統的設想。中國科學家錢學森在1962年設想出一種兩級入軌的運載工具,這種運載工具第一級采用一架噴氣發動機推進的大型飛機,第二級采用火箭發動機推進的飛機。
1957年9月,美國為了研究與高超聲速飛行相關的氣動問題、控制技術以及飛行過程中的穩定問題擬定了“X-15試驗機”計劃,并且開始研制名為“X-15”的研究機。X-15研究機是世界上最早的利用火箭發動機推進的高超聲速飛機,經由改裝的B-52轟炸機空中發射,到1968年10月24日計劃結束時,共飛行199次。
航天飛機
20世紀60年代末開始,洲際彈道導彈技術、運載火箭技術、載人登月計劃、噴氣飛機技術等也迅速發展。1981年,美國哥倫比亞號航天飛機首飛成功,實現了運載器的部分重復使用。航天飛機由軌道器、外掛燃料箱和助推器組成,主發動機采用富燃分級燃燒循環,可在65%~109%推力之間連續調節,該發動機技術時至今日仍處于世界領先水平。在此期間,美國共生產6架航天飛機,分別為企業號航空母艦(Enterprise,代號OV-101)、挑戰者號(Challenger,代號OV-099)、哥倫比亞號航天飛機(Columbia,代號OV-102)、發現者(Discovery,代號OV-103)、亞特蘭蒂斯號航天飛機(Atlantis,代號OV-104)和奮進號航天飛機(Endeavour,代號OV-105)。此外,前蘇聯自1978年就研制暴風雪號航天飛機,該航天飛機在1988年11月15日由能源號運載火箭發射,進行了不載人飛行試驗取得成功。
然而,航天飛機作為可重復使用運載器還存在很多問題,包括研制方案不切合實際、技術難度大、再利用成本高(平均發射費用達到15億美元)、安全性穩定性低等問題,航天飛機最終成為一個失敗的科研項目。
空天飛機
1986年2月美國正式批準了國家空天飛機(National Aerospace Plane)計劃,即NASP計劃。NASP計劃確立以吸氣式火箭組合循環發動機、單級入軌完全可重復使用為目標,研制一種能夠像飛機一樣水平起飛并在大氣層內飛行,還能夠加速進入地球軌道像飛船一樣在軌運行,最后能夠再入大氣層并安全返回地面水平著陸的空天飛機,X-30是這種空天飛機的試驗機。但由于超音速燃燒沖壓發動機技術無法在計劃期限內實現,投資也過于龐大,1995年歷時9年的NASP計劃宣布取消。此外,同時期還有法國的Hermes計劃、英國的HOOTL計劃。
新一代發展
1994年8月,第42任美國總統威廉·杰斐遜·克林頓簽署新的國家航天運輸政策,要求美國航空航天局負責可重復使用運載器的計劃,簡稱RLV計劃。目的是研制繼航天飛機之后的第二代可重復使用運載器。RLV計劃又包括多項技術驗證計劃,這些技術驗證計劃主要有DC-XA試驗飛行器計劃、X-34小型重復使用運載器計劃、X-33先進技術演示驗證飛行器計劃、X-37試驗飛行器計劃等。
此外,20世紀90年代開始,美國基斯特(Kistler)公司采用傘降加氣囊著落方案研制“K-1”可回收火箭。K-1運載火箭以垂直方式起飛、不載人、二級可完全重復使用,設計預計可以重復使用100次。K-1第一枚火箭已經制造出來,但資金鏈斷裂斷送了它的前途。
SpaceX是埃隆·馬斯克(Elon Musk)于2002年創立的。從2012年9月到 2013年10月,SpaceX前后進行了8次可回收火箭及其返回的跳躍實驗。從最早的點火3秒高度1.8米,到點火80秒高度超過500米,并有了橫向機動,SpaceX獲得了一系列重要試驗數據,為試驗成功奠定了重要基礎。在實際發射任務中,SpaceX也進行了幾次一級火箭在分離后返回的海上平臺回收試驗。2015年1月,SpaceX進行第一次試驗,該試驗只是單純為了測試,火箭直接掉到海里;同年4月,SpaceX進行第二次試驗,使用了海上平臺,但火箭直接傾覆后在平臺上爆炸;第三次試驗在同年6月,但火箭直接在空中爆炸。
2015年11月24日,美國藍色起源宣布其研發人員已成功實現新謝潑德號火箭的垂直著陸回收。“New Shepard”號火箭的長度接近20米,使用BE-3液氫發動機,在升空過程中其最大速度達到3.72馬赫(約1268米/秒)。到達一定高度后,火箭與飛船分離,飛船繼續升高到預定高度,然后回落并最終借助降落傘成功著陸。而火箭在降至距地1500米高處時,其發動機重新點火減速,以每小時7.1千米的速度落回發射場。火箭在降落過程中經歷了時速190千米側風的考驗,最終降落地點距發射臺中心只有1.37米。
2015年12月21日,SpaceX的獵鷹9號回收試驗迎來了成功。火箭采取了垂直回收的方式,降落過程中逐漸導航至下降通道,最后落地前火箭發動機將相對速度降為接近零的狀態,采取四個支架平穩著陸。截至2022年9月,SpaceX公司的“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。
中國、俄羅斯、印度、歐洲、日本等首都在研制可回收火箭。2015年,俄羅斯就提出了在“東方航天發射場建造帶有可多次使用輕型運載火箭的航天火箭系統”,打造包含帶翼第一級火箭的未來運載工具。2016年,印度空間研究組織(ISRO)正在研發一款可回收運載火箭技術演示驗證器(RLV-TD)。RLV-TD項目在ISRO的載人航天計劃中至關重要,該機構正在考慮將兩名航天員送出地球軌道再將其帶回,并計劃降低空間發射任務的成本至原先的十分之一。
2020年4月,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)宣布正在開發火箭回收技術,讓已發射火箭的第一節在地表自主軟著陸,以便再次利用。
2021年3月,美國火箭實驗室宣布將開發類似俄羅斯“聯盟-2”運載火箭的中型可回收火箭“中子”(Neutron)。火箭實驗室開發的“電子”運載火箭已從位于新西蘭的發射場執行了18次發射任務,其中2次失敗。“中子”高度40米,為兩級火箭,第一級可重復使用,擬在海上平臺著陸。據稱“中子”火箭能將8噸的有效載荷送上近地軌道,將1.5噸的有效載荷送到金星和火星。
2023年10月,西班牙初創公司PLD Space研制的可回收繆拉-1火箭從西班牙西南部一處基地成功發射升空。“繆拉-1”火箭以一種斗牛品種命名,火箭約有三層樓高,載荷能力為100千克。“繆拉-1”火箭攜帶了用于測試的有效載荷,在飛抵距地表46千米的高度后返回,墜落在韋爾瓦省附近的大西洋海域,整個飛行過程持續約5分鐘。在“繆拉-1”火箭成功發射后,PLD公司將繼續開發“繆拉-5”火箭。“繆拉-5”火箭預計于2025年在法屬圭亞那庫魯航天中心進行首次發射。
2023年11月,中國可重復使用驗證火箭雙曲線二號(SQX-2Y)在酒泉衛星發射中心點火升空,約1分鐘后,火箭在目標著陸點平穩精確著陸回收。雙曲線二號所使用的是一種新型燃料——液態氧甲,由北京星際榮耀空間科技有限公司自主研發,它采用3.35米全尺寸箭體直徑,全長約17米,裝配自主研發的焦點一號深度變推力液氧甲烷發動機,試驗飛行高度178.42米、飛行時間50.82秒、著陸位置精度約1.68米、著陸速度為每秒0.025米、著陸姿態角約0.18度、滾動角約4度,高精度圓滿完成了飛行試驗任務。
2024年3月,中國航天科技集團宣布正在研制4米級、5米級的可回收火箭,并計劃分別于2025年和2026年首飛。6月23日,中國重復使用運載火箭首次10公里級垂直起降飛行試驗圓滿成功,火箭由中國航天科技集團有限公司八院抓總研制。該試驗是中國重復使用運載火箭最大規模的垂直起降飛行試驗,也是中國自主研制的深度變推“天鵲”發動機在10公里級返回飛行中的首次應用,為2025年如期實現4米級重復使用運載火箭首飛奠定了技術基礎。
相關特點
成本
一般的火箭是“一次性火箭”,原因在于,火箭攜帶衛星或飛船升空時,會在飛行過程中拋下一些部件,包括助推火箭、一級火箭(箭體)、逃逸塔、整流罩、二級火箭(箭體)、三級火箭(箭體),這些部件可統稱為殘骸。此外,一次性火箭由于不需回收,也沒有壽命限制,因此結構簡單、研制成本較低。然而,一枚運載火箭的硬件成本就能占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,經過維護后再重復使用,則可極大降低發射成本。有航天專家稱,“掌握了火箭回收并重復使用技術,可節省宇航發射成本80%左右,將對宇航事業產生重大影響。”
可回收火箭除了可以降低成本,還有可能保障地面人員和財產的安全。現在的火箭發射時那些被拋下的部件中,除了三級火箭外,其他部件會因為高度不足,無法完全燃燒而成為殘骸降落到地面或水面。盡管有精密的設計,而且殘骸墜落區也是相對固定的,但還是不可避免地會有火箭殘骸落入民居損壞財物,甚至傷人。例如,2007年10月25日,中國搭載嫦娥一號的長征三號運載火箭一級殘骸砸壞貴州福泉市當地一間民房。2013年12月2日凌晨,中國搭載嫦娥三號探測器的長征三號乙運載火箭發射升空,一級火箭殘骸墜落在湖南省邵陽市綏寧縣,砸壞該縣兩戶村民房屋。
環保
早在2004年6月22日,美國環保組織發布一項研究報告稱,由于美國不斷發射火箭,環境受到火箭燃料、導彈助推器燃料等物質的長期污染,大量有毒的高氯酸鹽殘存在土壤和水流中。因為高氯酸鹽常被用作火箭發射的燃料。如果每10億單位的牛奶中高氯酸鹽的含量低于1單位,對人體無害。但是,在環保組織抽查的32份加州牛奶樣品中,竟有31份含有高氯酸鹽,平均每10億單位的牛奶中,高氯酸鹽含量達到1.3單位,超過了健康的標準。對于這個后果,一方面可以通過使用新的不含高氯酸鹽的燃料來解決,另一方面,如果能回收一級甚至二級火箭,就可能使火箭殘骸不會砸在地面和水中完全解體,也就不會讓剩余燃料更多地污染環境。所以,可回收火箭也可能有利于環保和人的健康。
關鍵技術
整體結構
與一次性運載火箭相比,可回收火箭不僅涉及到上升段,還涉及到返回段。返回過程涉及到總體、彈道、氣動、控制、載荷、防熱、結構等多個專業,總體設計流程和設計方法較一次性運載火箭更復雜,需要開展上升段與返回段聯合設計,以及多專業之間的聯合設計。對于帶控制的子級回收過程,還需要開展控制方案設計和一子級的氣動輔助裝置設計,涉及到更多新的設計難點。從火箭技術的發展趨勢看,總體設計中還需考慮全壽命周期的系統融合設計,采用智能技術,提高火箭的智能化水平,有利于重復使用運載火箭性能提升。此外,通過采用高強度可重復使用運載火箭主結構,提高運載火箭結構抗沖擊能力,保證其可重復使用性。結構系統自身的可重復使用是運載火筋返回地面后,經過地面檢測和無損探傷后在簡單修復后即可再次使用。這不僅要求結構系統具備基本的承載功能,還要有高強度的耐受力,應對降落地面時對箭體的撞擊,人軌型箭體還要應對微流星體和空間碎片破壞。另外,運載火箭返回地面時箭體內的設備能夠在高強度結構系統的保護下使損壞程度達到最小,為設備后期的可重復使用創造條件,高強度結構系統因此也保證了箭體內設備的可重復使用。
子級回收
運載火箭箭體回收方法有傘降回收、垂直返回和帶翼飛回三種回收方式。運載火箭的重復使用首先需要解決運載火箭發射后子級的回收問題,確保運載火箭子級的安全回收。子級回收技術也是重復使用運載火箭首先需要解決的關鍵技術,根據不同的子級回收方式,其具體涉及到相關子技術不同。傘降回收涉及到群傘系統及大型緩沖裝置設計技術;垂直返回式回收涉及到高精度控制、著陸支撐和發動機大范圍推力調節等技術;帶翼飛回式回收和全升力體式涉及到外形優化設計、返回控制、著陸緩沖系統設計、防熱等技術。相對于一子級的回收,二子級由于從軌道再入,其環境更為惡劣,回收過程面臨防熱、控制等更嚴峻的挑戰。
熱防護
可重復使用運載火箭的二級在完成有效載荷分離后將再入大氣層,結構要經歷嚴重的氣動加熱,為了順利完成回收任務,保證結構的溫度控制在可允許的范圍內,需要采用可靠的熱防護系統。可重復使用航天器的熱防護系統多采用被動防熱結構,這種結構能夠保證在熱燒蝕環境下不發生相變和質量損失,有的甚至還可以起到承載的作用,但這類熱防護系統的最大缺點是最高可承受溫度有限。研究表明,目前金屬可重復使用熱防護系統的最高使用溫度僅為1093°C。因此,各國致力于研究抗燒蝕能力強、密度低的非金屬熱防護系統。例如,航天飛機機頭錐帽和機翼前端采用碳/碳薄殼熱結構(RCC、ACC),返回地球過程中,可以承受1650°C的峰值溫度要求;機身、機翼下表面的峰值溫度范圍為600~1260°C,多采用陶瓷剛性防熱瓦(RSI)、高溫特性材料(HTP)、氧化鋁增強熱屏蔽材料(AETB、TUFI)以及纖維耐火復合材料(FRSI)等;而對于峰值溫度在650°C以下的機身、機翼上表面,多采用陶瓷柔性隔熱氈、可改制先進柔性隔熱氈(TABI)或先進柔性重復使用隔熱氈(AFRSI)。
發動機
發動機的可重復使用是實現運載器可重復的一項關鍵技術。可重復使用的發動機需要經歷多次起動、關機、主級運行以及轉工況等工作過程,不僅使各關鍵部件處于高速旋轉、易腐蝕以及高溫、高壓的工作環境下,而且需經受大范圍工況變化的影響,因此具有較大的設計難度。可重復使用發動機主要存在兩方面問題。首先,由于設計過分保守導致材料的性能無法得以充分利用;其次,由于過分強調材料某方面的性能而導致不期望故障的發生以及過度減少可用壽命。
航天飛機主發動機(Space Shuttle Main Engine,SSME)最初設計目標是在不需要大規模維修的基礎上能夠進行55次飛行,但實際情況是每飛行1次就要進行全系統大的維護,甚至需要更換渦輪泵系統等關鍵部件,這不僅延長了發射周期,更增加了航天飛機的運行成本。為了提高主發動機的運行可靠性、降低維護成本,國際上開展了眾多的技術專題研究,其中最突出的是主發動機健康監控技術。發動機的健康監控包括故障檢測、故障診斷以及故障控制等多方面內容,它可以通過檢測、識別、定位、評估與隔離發現發動機可能的運行故障,并采取故障報警、緊急關機等容錯控制策略措施,從而將故障引起的損失程度降到最低。
著陸機構
著陸機構的著陸方式主要分為兩種:硬著陸和軟著陸。硬著陸的定義是指著陸器在著陸時,不采取任何緩沖措施直接與地面撞擊。采用這種著陸方式的著陸機構只能使用一次。軟著陸指著陸器通過緩沖裝置的吸能和減振后以很小的速度著陸,主要分為幾種形式:著陸緩沖火箭、降落傘減速裝置、緩沖氣囊、腿式著陸機構等。
緩沖氣囊以充氣氣囊作為吸能元件,優點為緩沖能力較大,緩沖效果好,但著陸姿態不易控制,需要專門的機構調整姿態,一般只適用于小型著陸器。腿式著陸器在工作過程中通過內部緩沖器的壓縮變形而吸收沖擊能量,著陸后不發生反彈,具有姿態易穩定、可靠性高等優點,因此,更加適用于運載火箭部段的返回著陸。大多數實現軟著陸的航天器采用腿式著陸器,其方案設計除要保證支撐結構必要的強度和剛度外,還需要合理選擇吸收著陸沖擊能量的緩沖器,以承受著陸時的沖擊載荷。
電氣系統
電氣系統的可重復使用技術主要是指設備的可重復使用。高價值的設備如果盡可能地布局在可重復使用的火箭級,能最大限度地實現設備再利用,節省不必要的重復研制經費,具有巨大的經濟效益。可重復使用設備在整個使用壽命期間會反復經受試驗、發射飛行和回收的各種環境。為了提高可重復使用設備的使用壽命,應確定可重復使用設備的試驗方法、學握可重復使用評估準則。
結構組成
各國研發機構對可回收火箭在結構、熱防護、推進、減速、著陸等方面都進行了相應的設計,從而保證運載火箭的可重復使用性。具體請看下表。
相關分類
可回收火箭有多種不同的分類方式。根據系統的級數,可分為多級入軌和單級入軌;根據起降方式,可分為垂直起飛水平著陸、垂直起降和水平起降;根據所采用的動力形式,可分為火箭動力和組合動力等。
典型型號
“獵鷹”火箭
獵鷹9號是美國SpaceX設計并制造的中型兩級人軌火箭,它是人類航天史上第一枚實現多次可重復使用一級助推器的液體燃料運載火箭,其可重復使用設計使得航天發射成本降低,低廉的發射價格改變了國際航天發射市場格局,影響了商業航天時代火箭設計。
SpaceX的“獵鷹重型”運載火箭是在獵鷹9號基礎上研制的,基于后者的設計,采用3個并聯的“獵鷹9”一級助推器。“獵鷹重型”運載火箭也是按照載人的標準設計,具備向月球、火星發射,支撐載人飛行任務的能力。
獵鷹火箭助推器回收程序共有3個步驟:首先一級火箭和二級火箭分離后,火箭會自動調姿并向后翻轉,9臺發動機中1臺開始工作,執行“回推”動作,此時火箭一級頂部的柵格翼展開調整姿態;然后,在進入大氣之后,3臺發動機執行“再入”點火,為火箭再人階段誠速;最后,在接近地面時,1臺發動機執行著陸點火,實現火箭著陸前的反推,通過著陸腿實現“獵鷹”火箭的軟著陸。
“新謝潑德”火箭
新謝潑德號火箭是藍色起源開發的可回收火箭。該運載火箭于2015年首次完成無人飛行試驗,火箭到達100千米高空并返回后,成功實現軟著陸。2021年7月,“新謝潑德”運載火箭成功完成了載人飛行任務,實現了首次載人商業太空旅行,該火箭成功返回,以著陸腿的形式實現軟著陸。“新謝潑德”運載火箭是完全可重復使用的火箭,采用垂直起飛、垂直降落形式,火箭發動機設計經歷三代產品:早期BE-1發動機使用過氧化氫單推進劑;后來的BE-2發動機使用高溫過氧化物和RP-1煤油推進劑;目前,其動力系統采用的是BE-3發動機,推進劑是液態氫和液態氧。
“星艦”火箭
“星艦”是SpaceX推出的最新一代運載火箭系統,這一概念于2017年正式提出,該火箭除了可以執行近地軌道任務外,還可以執行載人登陸月球、載人登陸火星等深空任務。“星艦”未來將替代Spacex公司現有的“獵鷹9號”和“獵鷹重型”運載火箭,執行近地軌道任務。“星艦”火箭第一級助推器被稱為“超重型推進器”,第二級被稱為“星艦”。“超重型推進器”直徑為9米,配置33臺猛禽發動機,使用液態甲烷/液氧推進劑,安裝4個固定柵格翼,不配置著陸腿。SpaceX公司計劃采用地面塔架捕捉的形式進行回收。“星艦”火箭第二級也是可重復使用的,采用垂直起落形式,不銹鋼結構設計。該不銹鋼合金經過“深冷”處理,低溫處理鋼與傳統的“熱”處理鋼相比,具有質量更輕,結構更耐磨的優勢。“星艦”側壁的迎風面鋪覆六角形隔熱瓷磚,具有熱防護能力,可以抵抗其再入時的熱流。
“長征”八號
長征八號運載火箭是中國新一代中型運載火箭,兩級設計,執行太陽同步軌道運載任務。2020年12月,“長征”八號運載火箭開展首次飛行試驗,并于中國文昌航天發射場成功發射。2022年2月27日,“長征”八號遙二火箭成功發射,將22顆衛星送入預定軌道,創造了中國單次發射衛星數量最多的記錄。長征八號遙二運載火箭與遙一火箭相比,少了2個助推器,由兩級半變為兩級串聯構型。“長征”八號運載火箭高度50.3米,一級直徑3.35米,配置2臺120噸級推力的YF-100發動機,二級直徑3米,配置2臺8噸級推力的YF-75氫氣、液氧發動機。該火箭瞄準的是具有國際競爭力的商業衛星發射。
“長征”八號R運載火箭是在“長征”八號基礎上研發的可回收火箭,新一級的120噸級液氧煤油發動機具備2次啟動機65%變推力能力。“長征”八號R運載火箭配置可折疊著陸腿,可以實現精確定點軟著陸。
新一代載人火箭
中國使用的載人火箭是“長征”二號F火箭,該火箭于1992年中國載人航天工程啟動時開始研制,1999年首次發射成功,將中國神舟一號送入太空。“長征”二號F火箭屬二級捆綁火箭,有4個液體助推器。該火箭可用于載人月球探測等深空探測任務。
新一代載人火箭采用模塊化、通用化設計,同時具備載人和貨物運輸能力。針對近地任務采用兩級構型,一級具有可重復使用能力,近地軌道運載能力為14噸;針對月球探測等深空任務,采用三級加助推器構型,地月轉移軌道運載能力為27噸。新一代載人火箭一子級或將采用新型垂直起降回收方式,再入過程使用火箭發動機減速,利用氣動舵進行控制與減速,在著陸階段采用網系回收裝置進行阻尼減速,實現軟著陸。
相關事件
2015年11月24日,由美國電子零售巨頭亞馬遜“掌門人”杰夫·貝索斯創建的藍色起源宣布,其研發人員已成功實現一枚運載火箭的垂直著陸回收。該公司于當地時間23日中午從美國南部的西得克薩斯基地成功發射以美國首位宇航員艾倫·謝潑德命名的“新謝潑德”飛船,飛船飛到距地面100.5千米的預定高度,剛好超過國際公認的太空邊界,而火箭則成功降落回發射場。
2015年12月21日,SpaceX的獵鷹9號從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地升空,發射10分鐘后,第一級從天而降,在目標降落地點引起一片火光,但火光迅速熄滅,露出聳立在茫茫夜色中的白色火箭,開創了火箭從太空直接垂直回收的歷史。
2016年5月23日,印度發射一艘用于技術驗證的小型航天運載器,這是未來印度“航天飛機”的縮小版原型,也是印度可重復使用運載器自主研制計劃的首次發射試驗。該航天運載器的全稱是“可重復使用運載器技術驗證器”(RLV-TD),實質上是一個用來評估技術的飛行試驗平臺,長約6.5米,重量為1.75噸,造價9.5億盧比(約合1400萬美元)。
2021年11月,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)將與三菱重工、ANA控股等日本國內約30家企業和研究機構共同開發機體可重復使用的火箭技術。目標是作為日本的主要火箭于2030年前后進行首次發射,把發射費用降低到目前水平的四分之一以下。日本要把成本競爭力提高到處于領先地位的美國太空開發初創企業同等以上的水平,促進培育本國的太空產業。
2023年12月14日,中國在酒泉衛星發射中心運用長征二號F運載火箭,成功發射一型可重復使用的試驗航天器。試驗航天器將在軌運行一段時間后,返回預定著陸場,其間將按計劃開展可重復使用技術驗證及空間科學實驗,為和平利用太空提供技術支撐。
2024年3月,中國航天科技集團宣布正在研制4米級、5米級的可回收火箭,并計劃分別于2025年和2026年首飛。
2024年3月14日晚,SpaceX的超級火箭“星艦”在得克薩斯州博卡奇卡發射場升空,進行第三次試飛。在度過T+1小時3分鐘后,SpaceX表示失去與星艦飛船的信號,確認已與飛船失聯。在第三次測試告一段落后,SpaceX的總裁馬斯克發文稱,星艦將會使生命多星球化(Starship will make life multiplanetary)。又過了一個小時后,馬斯克又發文強調,星艦會把人類帶到火星。
2024年3月15日,SpaceX(SpaceX)用一枚“19手”的獵鷹9號將23顆“星鏈”衛星送入太空,火箭第一級再次成功回收。這是“獵鷹9”火箭第一級重復利用的最高紀錄。“獵鷹9”火箭從美國佛羅里達州肯尼迪航天中心發射升空。約2分30秒后火箭第一、二級成功分離。隨后火箭第一級按計劃降落到大西洋上的回收船上。發射約一個小時后,該公司確認23顆“星鏈”衛星成功入軌。
發展趨勢
可回收火箭的四大關鍵技術已逐步攻克,可回收火箭將會在未來的國際角逐中扮演關鍵角色。可重復使用、高可靠性和高安全性是未來可回收火箭的重要發展方向。早在火箭發展的初始階段,馮·布勞恩和錢學森就提出了重復使用天地往返運輸系統的概念。目的是通過火箭自身可靠性、多次重復使用來均攤費用,降低火箭發射成本。同時,可回收火箭可以依靠先進設計理念和發射方式,縮短發射周期、提高發射機動靈活性,實現更加便捷和低成本地進入太空,為大規模進行空間利用和開發奠定良好的技術基礎。此外,利用其技術能夠形成新型空間攻防武器平臺,執行空間支援、作戰、偵察、監視、預警、對地攻擊等諸多軍事任務。所以無論是在航天領域,還是在軍事領域,可回收火箭必定會發揮更加重要的作用。可回收火箭只是航天發展的第一步,早年,SpaceX公司總裁埃隆·馬斯克就曾提出雄心勃勃的火星移民計劃。他在接受《華盛頓郵報》記者專訪時,曾透露過更多關于火星探索計劃的細節。實現可回收火箭技術只是火星探索計劃的第一步,SpaceX計劃會用貨運飛船率先前往火星,而后向其發射載人航天器,最終建成人類火星移民基地。
應用領域
可回收火箭主要應用于載人航天、貨物運輸、衛星發射、軍事應用以及各種商業化應用,如太空旅行。未來,在太空旅行過程中,可回收火箭動力系統沿用火箭發動機,起飛階段就像火箭發射一樣,爬升到距地球約100多千米的亞軌道上,停留約10分鐘后,再依靠慣性像飛機一樣返回地球,水平著陸。整個過程大約30分鐘,全程都按照預定程序,全自動飛行。游客不用穿航天服,甚至可以帶手機拍照發朋友圈,像航天員一樣在艙內飄來飄去,透過窗戶從太空眺望地球。由于運載器本身有糾錯功能,即使指令有誤,也能返回正確軌道。因此,游客還有機會體驗太空駕駛的樂趣。
參考資料 >
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雙曲線二號驗證火箭實現首次復用飛行.科技日報.2024-03-16
第183集 | 新華社消息|我國正研制4米級、5米級可重復使用火箭.抖音短視頻.2024-03-13
我國重復使用運載火箭首次10公里級垂直起降飛行試驗圓滿成功.上觀新聞-今日頭條.2024-06-23
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俄媒:俄擬斥資近2億美元 打造可回收運載火箭.新華網.2024-03-13
印度空間研究組織將發射可回收運載火箭.中國載人航天工程.2024-03-13
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歐洲首枚!西班牙私企成功發射自研火箭.周末畫報.2024-03-13
新京報:可回收火箭是天方夜譚嗎?.人民網.2024-03-16
觀點丨發展重復使用航天運輸系統究竟有多難?.澎湃新聞.2024-03-16
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耗資30億美元“星艦”發射失敗,馬斯克虧了嗎?.華龍網.2024-03-16
印度發射可重復使用的“航天飛機”.國家航天局.2024-03-16
日本將開發可重復使用的火箭,計劃2030年前后進行首次發射.新浪財經.2024-03-16
我國成功發射可重復使用試驗航天器.中國政府網.2024-03-16
星艦完成第三次試飛:成功實施大部分流程 返回大氣層期間失聯.財聯社.2024-03-16
美“19手”“獵鷹9”火箭成功發射“星鏈”衛星.央視網.2024-03-16
航天器“重復用” 往返太空更便捷.陽光網科技.2024-03-16