要火箭既能“正著飛”也能“倒著飛” 中國火箭重復(fù)使用還要邁幾道坎

7月26日11時(shí)57分，長征二號(hào)丙運(yùn)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(yàn)，成為繼美國之后第二個(gè)掌握此項(xiàng)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(shí)57分，長征二號(hào)丙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火起飛，成功實(shí)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(gè)鮮為人知的試驗(yàn)任務(wù)——火箭一子級(jí)的精準(zhǔn)回收。

直到兩天后，這個(gè)細(xì)節(jié)才對(duì)外公布。來自中國航天科技集團(tuán)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(yàn)”的成功，標(biāo)志著我國成為繼美國之后第二個(gè)掌握此項(xiàng)技術(shù)的國家，同時(shí)中國航天在落點(diǎn)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(yùn)載火箭邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

可重復(fù)使用火箭?是的，正是這個(gè)創(chuàng)意讓業(yè)內(nèi)外人士激動(dòng)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(shí)現(xiàn)了運(yùn)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(diǎn)燃了人類移民火星的夢想。

如今，中國火箭回收技術(shù)驗(yàn)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(yùn)載火箭的重復(fù)使用，就是讓火箭的助推器、一子級(jí)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(gè)看似科幻式的設(shè)想，不僅已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，還正在成為各航天大國爭相發(fā)展、角力比拼的新舞臺(tái)。

至于原因，成本低是業(yè)內(nèi)人士的第一個(gè)共識(shí)。

根據(jù)美國國家航空航天局(NASA)發(fā)布的報(bào)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(fèi)了不到4億美元。

也因此有人評(píng)價(jià)，埃隆·馬斯克，這個(gè)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(jià)格拉低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

一位航天專家告訴中國青年報(bào)·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(gè)發(fā)射合同，其中除政府的14個(gè)合同外，24個(gè)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(shí)，效率也在提高。

首先是研制周期縮短，“獵鷹-9”從設(shè)計(jì)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(yàn)，陸地和海上平臺(tái)回收試驗(yàn)均取得成功。這位專家告訴記者，商業(yè)航天管理機(jī)構(gòu)建立扁平化組織機(jī)構(gòu)，在很大程度上縮短了管理鏈條。

對(duì)于眼下的中國，這件事還有更為現(xiàn)實(shí)的意義——安全問題。

按照中國航天科技集團(tuán)第一研究院第一設(shè)計(jì)部主任助理何巍的說法，近些年，我國運(yùn)載火箭高強(qiáng)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(duì)的無人區(qū)”。盡管在設(shè)計(jì)火箭的飛行軌跡時(shí)，寧可犧牲運(yùn)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(diǎn)散布范圍較大，有時(shí)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(jì)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(hào)丙運(yùn)載火箭一子級(jí)的落點(diǎn)控制，采用的柵格舵控制，對(duì)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(shí)40分，也就是長征二號(hào)丙運(yùn)載火箭點(diǎn)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(yàn)人員順利找到了該火箭一子級(jí)殘骸。

長征二號(hào)丙運(yùn)載火箭由中國航天科技集團(tuán)第一研究院抓總研制。按照長征二號(hào)丙火箭副總設(shè)計(jì)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(hào)丙運(yùn)載火箭上升時(shí)，位于一子級(jí)外側(cè)壁的幾片柵格舵緊貼箭體，以避免對(duì)發(fā)射造成影響。一子級(jí)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(dòng)”等一系列復(fù)雜動(dòng)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(jí)精準(zhǔn)回歸地面。

“其他火箭設(shè)計(jì)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(hào)丙運(yùn)載火箭研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)師張大銘說。

事實(shí)上，針對(duì)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(hào)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(hào)F火箭的柵格翼展開后是固定不動(dòng)的，近幾年，國外火箭上才開始通過可擺動(dòng)的柵格舵來控制箭體的方向和姿態(tài)。

比如，全球唯一實(shí)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(jí)首次成功著陸。一子級(jí)重返大氣后，進(jìn)行減速，調(diào)整箭體姿態(tài)。接近地面時(shí)，火箭一子級(jí)頂部四個(gè)柵格翼展開，對(duì)箭體姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定。主發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，火箭進(jìn)一步減速，一子級(jí)逐漸接近地面著陸場，實(shí)施軟著陸。

如今，我國試驗(yàn)采用柵格舵控制殘骸落點(diǎn)，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(yàn)選擇在大中型成熟運(yùn)載火箭最大的一子級(jí)上安裝柵格舵，要保證對(duì)火箭發(fā)射不能造成任何影響;在一子級(jí)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(duì)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(gè)“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(tuán)隊(duì)。于他們而言，最大的特點(diǎn)就是“敢闖敢干”。

以電氣系統(tǒng)為例，這是控制柵格舵動(dòng)作的“大腦”，新一代電氣系統(tǒng)首次從實(shí)驗(yàn)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(jì)成熟、性能穩(wěn)定、飛行成功經(jīng)驗(yàn)多，但單機(jī)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(gè)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(jī)安裝配套的應(yīng)用程序就知道火箭被控部件下落的實(shí)時(shí)位置?？梢哉f是重量不大功能全，價(jià)格不高可靠性高。”彭越說。

面對(duì)成功，這些年輕人興奮之余，也清醒地意識(shí)到：這次試驗(yàn)與真正的火箭重復(fù)使用尚有距離。實(shí)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(tuán)第一研究院長征系列運(yùn)載火箭高級(jí)顧問龍樂豪曾表示，對(duì)于包括長征三號(hào)甲、長征四號(hào)在內(nèi)的現(xiàn)役運(yùn)載火箭，無法重復(fù)使用，只能通過回收技術(shù)，實(shí)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(yùn)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(yùn)載火箭，從立項(xiàng)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(jí)與助推捆綁整體垂直降落回收方式：兩個(gè)助推器與一子級(jí)捆綁后作為一個(gè)整體進(jìn)行垂直著陸、重復(fù)使用?；鸺弧⒍?jí)分離后，采用整體垂直降落的返回方式實(shí)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(tuán)第一研究院此前發(fā)布的《2017-2045年航天運(yùn)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(dòng)機(jī)為動(dòng)力的兩級(jí)完全重復(fù)使用運(yùn)載器，航天運(yùn)輸系統(tǒng)水平和能力進(jìn)入世界航天強(qiáng)國前列。到2035年左右，運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用。

那時(shí)，快速而廉價(jià)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(shí)。(記者 邱晨輝)