冲向万米高空再返回 “朱雀”火箭“回家”有多难

　　朱雀三号是一型大型液氧甲烷可重复使用火箭，箭体直径4.5米，全箭总长76.6米，起飞质量约660吨，一级火箭设计复用次数不少于20次，运载能力不小于18.3吨，可支撑我国卫星互联网组网的高密度发射、大型通信卫星发射以及各型飞船发射的任务需求。预计将于2025年具备首飞能力。

　　9月11日12时，我国自主研发的朱雀三号可重复使用垂直回收试验箭，在酒泉卫星发射中心完成10公里级垂直起降返回飞行试验，标志着我国商业航天在可重复使用运载火箭技术上取得重大突破，为将来实现大运力、低成本、高频次、可重复使用的航天发射迈出了关键性的一步。

　　在本次试验中，火箭起飞后约113秒发动机进行了一次关机，火箭靠惯性飞行至距离地面10002米的最高点，随后经过无动力滑行约40秒后，火箭在距地面4.64公里处发动机二次点火，最终在距离发射工位3.2公里的回收场坪实现软着陆，总飞行时间200.7秒。

　　伴随一句“3、2、1，点火!”的口令，火箭腾空而起，冲上云霄。这是大多数人对火箭发射的印象。火箭飞入太空，一条漂亮的抛物线就是大家记忆的全部了，很少有人关心它还回不回来。

　　2015年以前，火箭都是一次性消耗品，发射升空就不再回来。然而，2015年“猎鹰9号”的成功回收，创造了历史:原来火箭也可以重复使用，“航班化发射”并非不可能。

　　实际上，“中国航天之父”钱学森在1963年出版的《星际航行概论》里就曾这样设想:“运输火箭，不论第一级的大火箭也好，第二级的小火箭也好，只要加上翅膀，是能够飞回地面的，所以运输火箭是可以用许许多多次的。”

　　在人类开启航天事业之后相当长的一段时间内，火箭只能一次性使用似乎慢慢的变成了了无需置疑的常识。但事实上，全球各国的航天工作者都一直在思考和探索火箭的有效回收利用方法。

　　此前，一些人曾提出“降落伞+水上溅落回收”，但这一方案既不能够确保回收过程的可控和可靠，也不能够确保火箭回收后在结构设备上的完整性，后续的检查维修和整备异常麻烦。

　　此外，对于大型火箭来说，其巨大的自重和返回速度对回收降落伞系统更是提出了苛刻的要求，让回收系统的重量和尺寸大到让火箭的回收工作毫无经济意义。

　　最直接的是成本的控制——回收再利用，成本自然摊薄。“火箭回收是直接降低发射成本的最佳方式。过去发射火箭是一次性的，就好比‘坐一次性飞机’一样浪费。当火箭实现回收后，它就能像飞机一样多次起降飞行，把成本越摊越薄。”中国宇航协会成员、航天科普博主“神仙号船长”白国龙说。

　　火箭其实和汽车、轮船、飞机等一样，是连接两地、在两地之间运送人和货物的交通工具，既然是交通工具，成本和运输能力就显得格外重要。近年来，低轨卫星互联网的建设逐步提上了日程，数万颗卫星组成的星座对火箭的低成本高效率运输提出了迫切的需求。

　　戴政介绍，对于这种一子级可重复使用的火箭，比如说一子级重复使用10次，因为一子级在全箭当中的成本大概会超过70%，相当于全箭成本的70%被10次平摊了之后，那么每次发射的火箭成本就会大幅下降。

　　其次，火箭可回收，意味着发射频率上去了，这是产业扩容的希望所在。传统火箭发射必须留出至少两个月的准备期，还得紧盯时间窗口“看天吃饭”。“可回收火箭不同，仅需简单修复维护就可再次发射，火箭利用率、发射频率、发射灵活性的大幅度的提高，将极大提高快速进入太空的能力，大规模的太空探索与开发就有了可能。”

　　此外，可回收火箭的运力升级，有助于太空探索整体提质。“当前，大型星座组网尤其需要大运力、低成本、高频次的火箭发射，大型可重复使用火箭正可支撑我国互联网星座工程战略。”朱雀三号可重复使用液氧甲烷火箭总指挥戴政说。

　　“目前，我国现役火箭运载能力偏低，亟须全力发展中大型可重复使用液体运载火箭，来满足星座大规模部署的‘低成本、高可靠、高频次’的发射能力。”业内人士表示。

　　可重复使用火箭是未来太空探索的重要发展趋势之一，可重复使用火箭需要攻克发动机推理调节、高精度制导导航、姿态控制以及垂直着陆支撑等关键技术，十分复杂，需要克服许多技术难题。

　　目前国际上最典型的可重复使用火箭就是美国太空探索技术公司的猎鹰9号，已经实现了超过300次的重复使用，我国国家队以及各商业航天企业都在攻克可重复使用火箭关键技术，目前整体进展顺利。

　　国际宇航联合会空间运输委员会副主席杨宇光表示，我们现在的整体形势是非常可喜的，国家队也就是国有企业，和非公有制企业在一起发力，来促进我国可回收可重复使用技术的发展。

　　目前我国可重复使用火箭研制整体进展顺利，航天科技集团研制的重复使用运载火箭新技术验证箭和蓝箭航天研制的朱雀三号都已完成10公里级重复使用飞行试验。

　　航天科工集团快舟火箭、星际荣耀的双曲线二号、中科宇航的力箭二号、星河动力的智神星一号以及天兵科技的天龙三号等可重复使用火箭都在按计划攻克各项关键技术。

　　一枚传统火箭由两级组成，一级在下，二级在上。目前的火箭回收，指的是当火箭飞到100多公里高度一级、二级分离后，二级进入预定轨道，原本只能自毁的一级返回发射原地的过程。简言之，火箭“回收”，现阶段意味着一级的“回家”。

　　它的“回家”，大致分三步。第一步是箭体分离、姿态调整。点火发射的火箭，上升到100多公里高度后，一级的发动机关闭，二级与一级分离。一级要返回地面，首先得“调头”，也就是姿态调整。第二步是减速。掉头后的火箭进入返航过程，速度很快，此时需要发动机第二次点火，把速度降下来。第三步是着陆悬停，由于火箭回到原地的理想姿势是尾部向下，头部在上，因此还需发动机第三次点火，调整姿势，并给火箭一个反推力，使着陆时它的加速度与速度同时降为0。

　　最难的是“回得准”。“火箭下降过程中，随着燃料的消耗、速度的变化，需要输出不同大小的推力确保其平稳减速，这就要求火箭发动机必须精确、动态地调节推力，并具备多次起动的功能。”东方空间公司引力二号火箭总设计师黄帅强调，火箭能顺利返航，必须有一套精密算法仔细指点。

　　“落得稳”也不容易。火箭返航中，下降姿态、着陆角度都必须得到高精度控制，一旦着陆角度不对，火箭就可能倾覆，引发燃料外泄导致爆炸。这一难度就好比把筷子丢进瓶子，更何况这还是一根下降速度超过1000米/秒的巨型“筷子”。实际上，即便做到了着陆前有效减速，也要考虑到重达几十吨的火箭所带来的巨大惯性。要知道，火箭里有大量精密的电子元器件，要确保这些“宝贝”能够再次使用，必须点满它们的缓冲技能值。

　　还有个难点是“用得久”。可回收火箭要经受多次重复使用、多次再入大气层的考验，就需要采用强度高、耐高温而超轻薄的新型复合材料，攻克一系列材料性能难关，发动机等部件的可靠性要求尤高。此外，可重复使用的火箭，必须好保养，回收后简单检测维护就能满足再次发射要求。这方面也有许多评估检验测试的技术空白待填补。

　　朱雀三号可重复使用液氧甲烷火箭总指挥戴政介绍，可重复使用火箭相比传统的一次性使用火箭实际上具备两大核心优势，第一个是低成本，第二个就是高频次，适应高频次、高密度的发射，这样大幅地提高对空间的运输能力。

　　目前，国内包括国家队在内的多家企业都将研制可重复使用火箭作为主攻方向，各家的技术方案和研制进度也各有不同。后续我国可重复使用火箭的发展趋势会是怎样的?

　　人们通常把石油称作为工业的血液，而推进器的燃料就是火箭的血液。目前我国主流可重复使用火箭采取的核心方案都是垂直起飞、垂直降落，各家研制的火箭在直径、构型以及运载能力等方案上略有不同，火箭使用的燃料大多分布在在液氧煤油和液氧甲烷两种组合。

　　杨宇光介绍，人类的第一种运载火箭使用液氧煤油组合，液氧煤油这个组合其实是很成熟的。从近期的角度来看，这个组合我自己觉得取得更多的突破可能性比较大，但是从更长远的时间尺度来看，液氧甲烷是一个更好的更理想组合。

　　杨宇光介绍，火箭回收后还需要经过清洗、检测、维修等工作才能够再次使用，为了控制成本，以上工作也要尽可能压缩。液氧煤油和液氧甲烷这两种组合虽然都是碳氢混合物燃烧，但相比之下，液氧煤油的含碳量更高，燃烧后容易积碳，清洗难度更大。

　　而甲烷只有一个碳原子，整个燃烧以后产生积碳的可能性更低。从回收以后的维护角度来说，甲烷是一个更好的选择，基于液氧甲烷组合的可回收可重复使用的运载火箭，相信会大有发展。

　　蓝箭航天TQA系列发动机总设计师韦华介绍，液氧甲烷的火箭发动机相对固体(火箭)来说，液体的性能肯定是更高的。整个中国也是首先采用这种推进剂来研发火箭，是一个开创性的工作。蓝箭航天发动机热试车总指挥胡鹏瑞表示，液氧甲烷是一个环保的燃料，气体燃烧之后生成的水和二氧化碳，对大气是没有环境污染。

　　在朱雀三号这次试验之前，航天科技集团研制的重复使用运载火箭也完成了10公里级垂直起降飞行试验。

　　为什么重复使用火箭试验都选择了10公里这个高度?这对于可重复技术的验证又意味着什么?

　　专家介绍，通常情况下，10公里以下的大气密度相对较大，环境也更为复杂，火箭在此阶段飞行需要经历的考验比较多。

　　此外，火箭在10公里左右高度会经历最大动压，此时火箭受力情况最为复杂，对姿控系统的考验也最大。因此10公里是可重复使用关键技术验证绕不开的一个关键节点。

　　国际宇航联合会空间运输委员会副主席杨宇光表示，一子级在到达10公里这样的高度后，在返回的过程中，受到了各种各样的扰动。要回到着陆点，精确地进行定点着陆，这样的一个过程中的控制过程，包括栅格舵以及火箭发动机等这样一些执行机构都要形成一个非常完美的配合，你才有机会安全、非常轻巧地着落在预定着陆场。

　　此外，对于朱雀三号试验箭来说，从10公里高度返回也可以更好地验证相关的关键技术。

　　戴政介绍，10公里落回到5公里的时候，速度会接近音速。实验时，验证跨音速状态下，栅格舵、发动机再次启动以及联合控制的能力。