中國火箭重復(fù)使用還要邁幾道坎

7月26日11時57分，長征二號丙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，我國首次完成了基于柵格舵的火箭殘骸落區(qū)安全控制技術(shù)試驗，成為繼美國之后第二個掌握此項技術(shù)的國家。圖為柵格舵視頻截圖。

7月26日，一條看似稀松平常的消息，卻在航天圈里炸開了鍋。

當(dāng)天中午11時57分，長征二號丙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火起飛，成功實現(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)著一個鮮為人知的試驗任務(wù)——火箭一子級的精準(zhǔn)回收。

直到兩天后，這個細(xì)節(jié)才對外公布。來自中國航天科技集團7月28日的消息稱，這一被稱作“柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)試驗”的成功，標(biāo)志著我國成為繼美國之后第二個掌握此項技術(shù)的國家，同時中國航天在落點可控、精準(zhǔn)回收領(lǐng)域取得了重大突破，向打造可重復(fù)使用的運載火箭邁出了堅實的一步。

可重復(fù)使用火箭？是的，正是這個創(chuàng)意讓業(yè)內(nèi)外人士激動不已。放眼全球，目前只有美國“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克麾下的獵鷹火箭，實現(xiàn)了運載火箭的低成本、可重復(fù)使用，過去5年，該火箭先后完成陸地、海上回收，被認(rèn)為是商業(yè)航天領(lǐng)域典型的成功案例，也再一次點燃了人類移民火星的夢想。

如今，中國火箭回收技術(shù)驗證邁出一小步，距離真正的火箭重復(fù)使用還有多遠(yuǎn)？

便宜高效，更關(guān)乎安全

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

至于原因，成本低是業(yè)內(nèi)人士的第一個共識。

根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布的報告，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)公司僅花費了不到4億美元。

也因此有人評價，埃隆·馬斯克，這個擁有億萬擁躉的商業(yè)航天領(lǐng)軍者，已經(jīng)將航天發(fā)射的價格拉低了一個數(shù)量級。

一位航天專家告訴中國青年報·中國青年網(wǎng)記者，埃隆·馬斯克的商業(yè)公司憑借低成本的產(chǎn)品贏得了航天市場青睞，其“獵鷹－9”火箭已獲得了未來5年全球38個發(fā)射合同，其中除政府的14個合同外，24個都來自國際商業(yè)發(fā)射市場。2015年5月，這家公司還獲得了執(zhí)行美國軍用航天發(fā)射任務(wù)的資格。

成本降低的同時，效率也在提高。

首先是研制周期縮短，“獵鷹－9”從設(shè)計到首飛，僅用了4年半；其次是技術(shù)創(chuàng)新加快，“獵鷹－9”進(jìn)行了可重復(fù)使用火箭系列試驗，陸地和海上平臺回收試驗均取得成功。這位專家告訴記者，商業(yè)航天管理機構(gòu)建立扁平化組織機構(gòu)，在很大程度上縮短了管理鏈條。

對于眼下的中國，這件事還有更為現(xiàn)實的意義——安全問題。

按照中國航天科技集團第一研究院第一設(shè)計部主任助理何巍的說法，近些年，我國運載火箭高強密度發(fā)射已經(jīng)成為常態(tài)，尤其是2018年，發(fā)射次數(shù)達(dá)到38次，位列世界第一。隨之而來的火箭殘骸落區(qū)安全問題，越來越受關(guān)注。

何巍告訴記者，由于人口數(shù)量的增長，上世紀(jì)六七十年代建立的內(nèi)陸火箭發(fā)射場周邊的火箭殘骸落區(qū)，不再是“絕對的無人區(qū)”。盡管在設(shè)計火箭的飛行軌跡時，寧可犧牲運載能力也要盡量避開村鎮(zhèn)，但由于火箭殘骸在完成任務(wù)后是無控墜落，落點散布范圍較大，有時可能墜落在有人居住的區(qū)域。

當(dāng)前的做法是：在每次發(fā)射任務(wù)前，將落區(qū)內(nèi)百姓疏散到安全地帶。不過，這不僅給當(dāng)?shù)匕傩諑聿槐悖苍黾恿嘶鸺l(fā)射的經(jīng)濟成本和工作難度。

中國航天需要一條新的出路。

何巍說，為了減少火箭發(fā)射給落區(qū)居民帶來的不便，長征火箭研制人員一直在進(jìn)行分離體落區(qū)安全控制技術(shù)的研究。此次長征二號丙運載火箭一子級的落點控制，采用的柵格舵控制，對于解決我國內(nèi)陸發(fā)射場落區(qū)安全性問題具有重大意義。

要火箭“正著飛”，也能“倒著飛”

于是，來自中國的火箭“回收”嘗試來了。

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

長征二號丙運載火箭由中國航天科技集團第一研究院抓總研制。按照長征二號丙火箭副總設(shè)計師崔照云的說法，這次嘗試，形象地說就是讓火箭“倒著飛”——

長征二號丙運載火箭上升時，位于一子級外側(cè)壁的幾片柵格舵緊貼箭體，以避免對發(fā)射造成影響。一子級分離后，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”等一系列復(fù)雜動作，并承受了上千攝氏度高溫、近10倍自重的沖擊力。

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

“其他火箭設(shè)計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。”長征二號丙運載火箭研發(fā)團隊設(shè)計師張大銘說。

事實上，針對分離體落區(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，我國發(fā)射神舟載人飛船的長征二號F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，長征二號F火箭的柵格翼展開后是固定不動的，近幾年，國外火箭上才開始通過可擺動的柵格舵來控制箭體的方向和姿態(tài)。

比如，全球唯一實現(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，一子級首次成功著陸。一子級重返大氣后，進(jìn)行減速，調(diào)整箭體姿態(tài)。接近地面時，火箭一子級頂部四個柵格翼展開，對箭體姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定。主發(fā)動機再次點火，火箭進(jìn)一步減速，一子級逐漸接近地面著陸場，實施軟著陸。

如今，我國試驗采用柵格舵控制殘骸落點，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，此次試驗選擇在大中型成熟運載火箭最大的一子級上安裝柵格舵，要保證對火箭發(fā)射不能造成任何影響；在一子級返回地面過程中，柵格舵要經(jīng)受上千攝氏度高溫、近10倍自重的沖擊力，對提升研發(fā)制造技術(shù)不失為一種“巨大挑戰(zhàn)”。

現(xiàn)在“落得準(zhǔn)”，將來要“落得穩(wěn)”

接受這個“有很大難度”任務(wù)的，卻是一支只有10余人、平均年齡不足35歲的年輕研發(fā)團隊。于他們而言，最大的特點就是“敢闖敢干”。

以電氣系統(tǒng)為例，這是控制柵格舵動作的“大腦”，新一代電氣系統(tǒng)首次從實驗室飛向藍(lán)天，成功完成了飛行控制和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

電氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)人彭越告訴記者，火箭上傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)，雖然設(shè)計成熟、性能穩(wěn)定、飛行成功經(jīng)驗多，但單機設(shè)備體積大、數(shù)量多、成本高，顯得較為臃腫。這次下決心要做新一代電氣系統(tǒng)，就是將測量、控制、遙測遙控等功能統(tǒng)統(tǒng)整合在一個約為巴掌大小的盒子里。

“柵格舵控制的核心算法全部自主完成，手機安裝配套的應(yīng)用程序就知道火箭被控部件下落的實時位置。可以說是重量不大功能全，價格不高可靠性高。”彭越說。

面對成功，這些年輕人興奮之余，也清醒地意識到：這次試驗與真正的火箭重復(fù)使用尚有距離。實現(xiàn)重復(fù)使用，火箭不僅要“落得準(zhǔn)”，還要“落得穩(wěn)”。

中國工程院院士、中國航天科技集團第一研究院長征系列運載火箭高級顧問龍樂豪曾表示，對于包括長征三號甲、長征四號在內(nèi)的現(xiàn)役運載火箭，無法重復(fù)使用，只能通過回收技術(shù)，實現(xiàn)落區(qū)精確控制，確保其航區(qū)安全。

“中國重復(fù)使用運載器的技術(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。未來的新型運載火箭，從立項研制開始就要開展垂直起降關(guān)鍵技術(shù)研究。”龍樂豪說，火箭將采用芯級與助推捆綁整體垂直降落回收方式：兩個助推器與一子級捆綁后作為一個整體進(jìn)行垂直著陸、重復(fù)使用。火箭一、二級分離后，采用整體垂直降落的返回方式實現(xiàn)減速和著陸，可根據(jù)不同任務(wù)需求返回原發(fā)射場或其他發(fā)射場。

根據(jù)中國航天科技集團第一研究院此前發(fā)布的《2017-2045年航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路線圖》，到2030年前后，我國將研制成功以火箭發(fā)動機為動力的兩級完全重復(fù)使用運載器，航天運輸系統(tǒng)水平和能力進(jìn)入世界航天強國前列。到2035年左右，運載火箭實現(xiàn)完全重復(fù)使用。

那時，快速而廉價地進(jìn)出太空，進(jìn)行太空旅游，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。

中國青年報·中國青年網(wǎng)記者 邱晨輝 來源：中國青年報