俄羅斯研發(fā)可重復使用運載火箭。資料圖片
(資料圖)
火箭回收過程示意圖
飛機是現(xiàn)代社會常見的交通工具。一般來說，一架飛機的壽命為25年左右，起落次數(shù)3萬～8萬次，飛行時長4萬～8萬小時。在此期間，只要做好日常維護保養(yǎng)工作，飛機就可以在生命周期里安穩(wěn)服役。
多年以來，人類一直以不懈的探索和努力“回答”著這樣一個問題：我們是否能像乘坐班機一樣，乘坐航天飛行器自由往返天地之間呢？
前不久，我國自主研制的80噸級可重復使用液氧甲烷發(fā)動機進行了首次額定工況200秒長程試車，取得圓滿成功。這是一臺以重復使用、低成本、高性能為研制目標設計的發(fā)動機，具有大范圍變推力、多次起動、重復使用、故障診斷及快速測發(fā)能力，是一款跨時代的發(fā)動機。這也意味著，我國朝火箭重復使用的目標又近了一步。
本期“科技大講堂”，由國防科技大學空天科學學院教授李清廉為您講述——
回收再利用，運載火箭新選擇
今天，火箭發(fā)射不再是一件稀罕事。觀看火箭發(fā)射，已經(jīng)成為許多人遠行出游的新目標。當您站在空曠的戈壁上，望著火箭白色的尾跡漸漸消失在天邊時，是否想過，火箭將飛往何方，又將落在哪里？
事實上，這些帶給人們巨大震撼的火箭，在完成它的使命后，往往會被“拋棄”，經(jīng)過大氣層的燒蝕后，剩余的殘骸會直接掉落到地面或者海中。這是因為，如今我們使用的運載火箭大多是一次性使用火箭。這種火箭不需回收，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(fā)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(jīng)過維護后再重復使用，則可極大降低發(fā)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(jié)省宇航發(fā)射成本80%左右，將對宇航事業(yè)產(chǎn)生重大影響?！?/p>
于是，重復使用火箭便應運而生。重復使用火箭的概念是相對于一次性使用火箭而言的，特指從地面起飛完成預定發(fā)射任務后，全部或部分返回并安全著陸，經(jīng)過檢修維護與燃料加注，可再次執(zhí)行發(fā)射任務的火箭。
目前，火箭回收有三種主流方案：傘降回收、垂直回收和帶翼飛回。
傘降回收，即在火箭一級發(fā)動機工作結束并完成級間分離返回后，在低空采用降落傘減速，最后通過氣囊緩沖著陸或者直升機鉤住帶回地面。然而，這種方式不僅對著陸地形有要求，也無法實現(xiàn)火箭的定點著陸，且火箭落地后發(fā)動機也會隨之報廢，與真正意義上的“回收利用”有較大差距。這種方案與飛船返回艙的回收類似。美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的火神火箭擬采用傘降回收方案，由直升機在空中實現(xiàn)回收，但截至目前還未實現(xiàn)。
垂直回收，是在低空采用發(fā)動機反推減速并調整至指定地點的回收方案。采用垂直回收的典型代表，是美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹9號火箭。該火箭于2015年成功實現(xiàn)第一級火箭回收，也成為全世界首個實現(xiàn)第一級火箭回收的軌道飛行器。然而，以垂直下降方式降落地面，必須提前為發(fā)動機反推預留推進劑，這會對火箭運載能力造成一定的損失。
帶翼飛回，是利用空氣動力使火箭像飛機一樣滑翔降落。這種方案對火箭總體設計和返回控制技術要求較高。俄羅斯提出的貝加爾號有翼助推器方案就是典型的帶翼回收方案，貝加爾號為第一級帶翼飛回式助推器，可以像飛機一樣著陸。然而，帶翼飛回需要為火箭增加機翼、起落架等結構，這些結構重量等因素會使火箭運載能力損失約40%。
與傘降回收和帶翼飛回相比，垂直回收飛行載荷小、著陸精度高，并且對火箭自身結構設計的改動最小，在三種回收方式中經(jīng)濟應用價值最高。垂直回收方案目前已經(jīng)成為各國航天工程師研究的熱點。
液氧甲烷發(fā)動機，重復使用火箭的優(yōu)選
就像汽車行駛需要汽油，火箭發(fā)射也需要添加燃料?；鸺娜剂?，被稱為“推進劑”。推進劑在火箭發(fā)動機中快速燃燒，為火箭提供能量。按照狀態(tài)來分，推進劑可以分為液體推進劑和固體推進劑兩類。經(jīng)過長期試驗，科研人員們發(fā)現(xiàn)，采用低溫推進劑是液體火箭發(fā)動機可重復使用的基本前提。
低溫推進劑主要包括了液氧煤油、液氧液氫和液氧甲烷等推進劑組合。不同的推進劑在一定程度上影響著重復使用火箭的性能、運行維護以及使用壽命。
獵鷹9號火箭的梅林發(fā)動機，使用了液氧煤油推進劑。液氧煤油發(fā)動機密度比沖高，技術成熟。然而，液氧煤油發(fā)動機使用后，需要清除內部的煤油和積碳，維護工作較為繁瑣。
美國航天飛機主發(fā)動機SSME堪稱重復使用的鼻祖，采用的是液氧液氫發(fā)動機。液氧液氫發(fā)動機比沖最高，無積碳、無污染。但由于液氫制備難、儲存條件苛刻，運行維護成本要遠遠高于其他兩種推進劑組合。
隨著可重復使用需求的增加和液化天然氣的應用，液氧甲烷發(fā)動機逐漸成為各國航天工作者研究的熱點。
液氧甲烷推進劑具備比沖高、成本較低、清潔環(huán)保、維護使用方便等優(yōu)點，適合發(fā)動機大規(guī)模生產(chǎn)和重復發(fā)射，本身也便于在太空中長期貯存。同時，甲烷還具備火星原位生產(chǎn)的可能，這也是液氧甲烷推進劑的獨特優(yōu)勢。目前，液氧甲烷推進劑正在成為各國研究新一代重復使用火箭動力系統(tǒng)的主流選擇。
美國太空探索技術公司正在研發(fā)的猛禽發(fā)動機，是世界上第一款實用化的大推力液氧甲烷火箭發(fā)動機。目前，具有33臺猛禽發(fā)動機的星艦超重助推器B7已經(jīng)完成了首次發(fā)動機靜態(tài)點火測試，即將進行軌道飛行試驗。
歐洲的普羅米修斯液氧甲烷發(fā)動機已經(jīng)被納入未來運載器準備計劃（FLPP），瞄準2030年左右的發(fā)射市場，為歐洲運載器的長期發(fā)展做好準備。
俄羅斯正在研究200噸級推力的RD-0162液氧甲烷發(fā)動機，計劃2030年前后投入使用。
中國藍箭航天研制的“天鵲”TQ-12的80噸級液氧甲烷發(fā)動機，已經(jīng)在2022年進行了首次飛行試驗，助力朱雀二號火箭成功飛躍了卡門線（海拔100公里）。
重復使用火箭，開啟航天探索新征途
如今，重復使用火箭的優(yōu)勢已初見端倪。截至2022年9月，獵鷹9號火箭已經(jīng)成功回收一子級130多次，單枚火箭一子級復用次數(shù)最多達14次。其發(fā)射強度之高、經(jīng)濟性之顯著，都令人驚嘆不已。
當然，距離可以自由往返天地之間的未來，目前還有許多關鍵技術有待突破。
首先，垂直回收的重復使用火箭要求發(fā)動機具備多次起動能力?；鸺l(fā)動機多次起動技術是一項綜合性很強的技術，也是火箭發(fā)動機可重復使用的關鍵技術。由于液氧液氫、液氧煤油和液氧甲烷均為非自燃推進劑，燃燒室和燃氣發(fā)生器均需要多次點火，因而發(fā)動機需要具有可重復點火系統(tǒng)。同時，因為高空環(huán)境溫度低，點火時的狀態(tài)與發(fā)射前的地面點火會有所不同，例如點火延遲增大等，還需要該點火系統(tǒng)具備不同環(huán)境下的可靠工作能力。
其次，重復使用火箭的發(fā)動機需要能像天然氣灶一樣“調節(jié)火力”，即掌握大范圍變推力調節(jié)技術。由于在整個火箭發(fā)射回收過程中，推進劑在不斷消耗，導致火箭起飛時重量大，回收時重量要輕得多。獵鷹9號火箭起飛時9臺發(fā)動機全部工作，回收第一階段減速僅需3臺發(fā)動機工作即可；其單臺發(fā)動機推力調節(jié)范圍為39%～100%，多臺發(fā)動機并聯(lián)實現(xiàn)更大范圍推力調節(jié)。獵鷹9號火箭的梅林1D發(fā)動機采用了針栓式噴注器，這種噴注器曾應用于阿波羅登月艙下降級發(fā)動機中，通過特定的機械結構調整燃料和氧化劑流通通道面積，控制進入發(fā)動機燃燒室的流量，最終實現(xiàn)推力的調節(jié)。在我們需要的時候控制目標“火力”大小，不需要的時候“關火”，做到“隨用隨到”，是液體火箭發(fā)動機變推力的基本原理，也是我們未來發(fā)動機研制的方向之一。
此外，可重復使用液體火箭發(fā)動機還涉及低入口壓力啟動、發(fā)動機狀態(tài)評估檢測及健康管理、高溫組件結構抗疲勞壽命評估及延壽、全任務復雜力熱環(huán)境預示及控制等關鍵技術，其研制難度都超過一次性使用火箭的液體火箭發(fā)動機。
今年3月，據(jù)西班牙《國家報》消息，歐洲第一枚重復使用火箭繆拉-1已經(jīng)進入發(fā)射倒計時。生產(chǎn)該火箭的西班牙航空航天運載公司希望通過重復使用火箭，以更低的成本、更高的效率，將更多的小衛(wèi)星送往太空。
試想一下，當重復使用火箭技術高度成熟以后，我們可以更加自由地將更多人員和物資運往太空，開啟航天探索的新征途。一卷寫滿了航天夢的未來藍圖，正在徐徐展開。（■解放軍報特約記者 張照星 通訊員 李子光 顧 瑩）
來源：中國軍網(wǎng)-解放軍報
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