中國運載火箭“降本增效”，可回收在行動

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導(dǎo)語：中國商業(yè)航天蓬勃發(fā)展的勢頭也許比預(yù)想中發(fā)展得更快。12月10日17時07分，星際榮耀的雙曲線二號可重復(fù)使用液氧甲烷驗證火箭“二飛”試驗成功，實現(xiàn)了國內(nèi)首次可回收火箭的復(fù)用飛行。12月9日消息，另一家民營航企藍箭航天發(fā)布了我國首款可重復(fù)使用液氧甲烷不銹鋼火箭——朱雀三號，子級預(yù)計能夠回收利用20次?？苫厥諒?fù)用火箭“降本增效”有哪些顛覆性的思路？

雙曲線二號回收平穩(wěn)著陸

一、全世界太空經(jīng)濟共同的成本難題

太空運載火箭穩(wěn)穩(wěn)的直立降落在地面，完好無損完成垂直回收。在十年前，這是一個只能在電影中看到的畫面。

“高成本”是擋在全世界的太空經(jīng)濟面前的一塊巨石，降本增效是商業(yè)航天發(fā)展的必由之路。

資料顯示，運載火箭每次發(fā)射需要消耗大量的燃料，就算使用最好的火箭，每入軌不到2噸的有效載荷都需要損失剩余超過98噸的質(zhì)量（包含燃料和火箭）。

SpaceX 火箭成本比俄羅斯聯(lián)盟號飛船便宜97%

燃料只是標準化的化工產(chǎn)品，價格遠低于火箭?；鸺谥圃爝^程中，需要大量使用高科技材料，消耗了絕大部分的發(fā)射成本：以“土星五號”為例，建造一枚的價格相當于當時美國一艘核動力航母，倘若不是政治原因，這樣的項目絕對不可持續(xù)。

上世紀八十年代起，人類通過航天飛機開始進行降本嘗試，但發(fā)射過程中的助推火箭價格依舊高昂；其次是通過大量生產(chǎn)成熟火箭，形成“貨架產(chǎn)品”以降低成本，不能從根本上改變火箭高成本的唯有回收利用。

目前降低成本的主要方式還是可重復(fù)使用火箭

二、“星艦”帶來的啟發(fā)

提到可回收火箭，就繞不開作為先驅(qū)者SpaceX“星艦”，在2021年，我國的火箭發(fā)射量曾經(jīng)超過美國，但美國在2022年實現(xiàn)了對我國的反超，主要因為SpaceX一家的火箭發(fā)射量近乎與中國航天持平（61次對比64次），這一套互聯(lián)網(wǎng)思維的“組合拳”徹底顛覆了行業(yè)。

2022年SpaceX占據(jù)了美國大半發(fā)射量

由于不銹鋼加工的便捷性，讓“星艦”原型箭體的制造十分迅速，加快了技術(shù)迭代，同時這也成為了最新上市的特斯拉電動皮卡Cybertruck的同款材料。

“星艦”的外殼是相對廉價的“不銹鋼”

“星艦”最核心的降本措施在于它的大規(guī)模并聯(lián)發(fā)動機設(shè)計，“星艦”一級采用了33臺“猛禽”發(fā)動機，“星艦”本體則采用了6臺“猛禽”發(fā)動機。在發(fā)射時，經(jīng)常會有若干發(fā)動機出現(xiàn)失靈，但通過計算機的調(diào)整能夠及時關(guān)閉發(fā)動機并利用其他發(fā)動機的推力平衡火箭，保持基本的推力。

“星艦”整整并聯(lián)了33臺發(fā)動機

“星艦”采用大批量捆綁“猛禽”發(fā)動機的最大原因依然是成本，使用相同的發(fā)動機有利于實現(xiàn)動力的標準化。

“猛禽”發(fā)動機擁有優(yōu)秀的設(shè)計，賦予了其領(lǐng)先的比沖和壓力。SpaceX的哲學(xué)在于，在確定了基礎(chǔ)設(shè)計方案后，大量生產(chǎn)產(chǎn)品可以分攤研發(fā)成本。目前，“猛禽”產(chǎn)生每千牛推力的成本已經(jīng)降到一千美元，是人類歷史上的新低。產(chǎn)能也足夠大，大致為一天一臺“猛禽”發(fā)動機，相當于一個多月就能組裝一臺“星艦”。

三、為什么液氧甲烷發(fā)動機是“降本”的關(guān)鍵？

液氧甲烷發(fā)動機，絕對是目前的熱門，液體發(fā)動機一度被稱作可回收火箭的“心臟”。早在1931年德國就研制了世界上第一臺液氧/甲烷(液化天然氣，LNG)發(fā)動機，二十世紀前期由于液氧和甲烷均為低溫推進劑，使用維護性不如液氧/煤油；同時比沖（火箭引擎燃料效率利用）又比液氧/液氫低，因此在此后的幾十年間沒有研制出投入使用的液氧/甲烷發(fā)動機。

隨著各國開始重視航天運載器的無毒化和重復(fù)使用，液氧/甲烷組合價格低廉、無毒環(huán)保、密度比沖高、冷卻性能好、沸點相近、燃燒時積碳少，整體性能介于液氧/液氫和液氧/煤油之間，具有二者的優(yōu)點，更加適宜于重復(fù)使用和長期在軌的航天器，受到了各國的關(guān)注，并進行了大量研究。

推進劑主要性能對比

密度比沖對于運載火箭大推力下面級發(fā)動機是關(guān)鍵內(nèi)因，液氧/甲烷低于液氧/煤油，高于液氧/液氫。推力室的冷卻設(shè)計是制約液體火箭發(fā)動機研制的主要因素，甲烷比熱容高、結(jié)焦極限溫度近1000℃、粘度小，是良好的冷卻劑，適合于推力室尤其是重復(fù)使用的推力室。

由于液氧和甲烷沸點分別為90K和112K,接近空間溫度，便于空間長期貯存，同時貯箱間無需特殊的絕熱結(jié)構(gòu)，而液氧/液氫方案存儲溫差較大，液氧/煤油方案則容易結(jié)焦，不利于復(fù)用；剩余的燃料方案受到燃料本身化學(xué)性質(zhì)限制，有比沖不高、劇毒的劣勢，因此液氧/甲烷發(fā)動機是未來無毒空間飛行器較好的動力選擇。

朱雀二號遙二運載火箭成功發(fā)射

作為世界首個成功入軌的液氧/甲烷火箭，搭載衛(wèi)星的“朱雀二號”復(fù)飛成功。它采用了統(tǒng)一的80噸級液氧/甲烷發(fā)動機，填補了國際液體火箭型譜的空白，并表明了我國已經(jīng)基本掌握了輕型火箭的液氧/甲烷發(fā)動機設(shè)計。此外，火箭的一二級采用了同樣的發(fā)動機，實現(xiàn)了動力的標準化。

憑借在發(fā)動機研制過程中突破的關(guān)鍵技術(shù)，我國目前正在開展類似于“猛禽”發(fā)動機的200噸級全流量補燃循環(huán)液氧甲烷發(fā)動機(YF-215)研制工作，并已經(jīng)在今年五月完成了初次點火試車，為未來的超重型火箭創(chuàng)造基礎(chǔ)。

國內(nèi)外8款液氧甲烷發(fā)動機火箭

四、可回收技術(shù)為火箭“增效”

相對于僅需向上的單次火箭發(fā)射而言，火箭落地的過程顯然復(fù)雜得多，對火箭本身結(jié)構(gòu)的考驗也更復(fù)雜。偏轉(zhuǎn)和落地對于火箭內(nèi)部相對脆弱管線的沖擊不可忽視，有可能造成火箭爆炸?？苫厥栈鸺募夹g(shù)難點在于完善火箭回收的姿態(tài)控制方法以及內(nèi)部復(fù)雜的管線設(shè)計，而這需要大量的試錯，沒有捷徑可走。

按照主流觀點，可回收火箭的壽命至少應(yīng)該超過20次已成為標配，并可視狀態(tài)決定是否延壽?；鸺厥占夹g(shù)能讓火箭發(fā)射成本降低兩個數(shù)量級，最終使得火箭箭體的使用成本無限接近火箭燃料。

從回收比例來看，可回收火箭可分為部分完全可回收火箭和完全可回收火箭，前者主要回收第一級火箭。SpaceX在完成回收第一級火箭后，將發(fā)射成本降到了兩千美元左右。

“雙曲線二號”采用兩級串聯(lián)構(gòu)型

“雙曲線二號”在設(shè)計時，它已充分考慮了復(fù)用需求，支撐高質(zhì)量“軟著陸”的反推動力是可完整復(fù)用、精準控制推力的液氧/甲烷發(fā)動機。該火箭一二級的發(fā)動機可通用，第一級可重復(fù)使用30次以上，能為火箭節(jié)省70%以上的制造成本。

“雙曲線二號”的回收過程主要基于對火箭姿態(tài)的精準把控：在火箭到達最高點后，發(fā)動機熄火，然后利用重力降速為零，在距離地面一定高度時，發(fā)動機再次點燃調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度，并依靠發(fā)動機的反推降低下降速度進行高精度軟著陸，最終直立在地面上。

實現(xiàn)垂直回收與安全著陸的關(guān)鍵就在于采用了柵格舵控制，60年代末蘇聯(lián)科學(xué)家最早開始把柵格舵氣動控制技術(shù)逐步應(yīng)用到導(dǎo)彈設(shè)計上。火箭在大氣層內(nèi)下降再入段飛行過程中，初始速度高，越往下飛行大氣越稠密，動壓也越來越大，由此帶來的氣動干擾和氣動加熱就變得比較嚴重。柵格舵實現(xiàn)了大氣層內(nèi)全程控制，包括上升段的全速域精確控制和高馬赫數(shù)再入落點控制。

蘇聯(lián)N-1運載火箭聯(lián)盟號飛船逃逸塔上的柵格翼

五、“國家隊”超重型火箭的循環(huán)利用

長征系列運載火箭曾因其低發(fā)射成本而名聲遠播，但由于其是一次性火箭，循環(huán)利用箭體的思想也影響著中國“國家隊”的火箭設(shè)計。

“長征九號”是我國正在研發(fā)的超重型火箭，從2011年到2022年，捆綁式到光桿版設(shè)計方案至少變了三次。根據(jù)龍樂豪院士和余夢倫院士的最新演講，新版“長征九號”總體構(gòu)型已確定采用光桿無助推方案，并提出了火箭第一級可回收設(shè)想。

龍樂豪院士接受央視采訪

在2022年珠海航展的光桿版長征九號模型上，它的一級已經(jīng)裝上了回收用俄格柵舵，這是復(fù)用火箭的重要標志之一。原始設(shè)計中火箭的一二級均為液氧/煤油發(fā)動機，設(shè)計中并未包含可回收、動力標準化等要求。未來長征九號將成為一款部分回收火箭。

2022年珠海航展的長征九號模型

為此長征九號的發(fā)動機也做了調(diào)整，火箭第一級改為了并聯(lián)30臺200噸級液氧/甲烷發(fā)動機YF-215，最大起飛推力約為6118噸，并能允許最多6臺發(fā)動機關(guān)閉，徹底轉(zhuǎn)為了并聯(lián)大量較小發(fā)動機的道路；第二級也并聯(lián)了2臺同款液氧/甲烷發(fā)動機，完成了動力的標準化。從時間上看，這樣的轉(zhuǎn)變多少是受到了“星艦”思維的影響。

200噸級液氧/甲烷發(fā)動機成功試車

結(jié)語：可回收火箭已成為太空工業(yè)化的大勢所趨，目前，我國商業(yè)可回收火箭才剛起步，僅在概念上做了諸多技術(shù)儲備和驗證試驗，下一階段必將集中發(fā)力，以更快的速度推進技術(shù)發(fā)展，為人類的“航天活動自由”貢獻中國力量。

參考文獻：

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[5]國家航天局. 星際榮耀雙曲線二號驗證火箭飛行任務(wù)取得圓滿成功.2023-11