像回收可樂瓶一樣回收火箭？
半月談記者 張漫子
中國人對太空的向往已有數(shù)千年，眾多飛天神話見證著這一夢想。而今，中國火箭飛向太空早已成真，然而，這些飛上天的火箭，還沒有“飛回家”的體驗——火箭回收，依舊是中國火箭人面前的一道險關。
事實上，今年國產(chǎn)大火箭的回收探索已經(jīng)提速。最近，由航天科技集團八院研制的重復使用運載火箭新技術驗證箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功進行了10公里級飛行試驗。藍箭航天實施10公里垂直起降飛行試驗在即，深藍航天也即將迎來“星云-1”火箭一子級5公里垂直起降試驗……幾乎每個月，中國火箭就有一個回收“大動作”。
那么，為什么要像回收可樂瓶一樣回收火箭？火箭回收難在哪兒？一枚火箭從“離家”到“回家”，一共分幾步？
為何要回收火箭？
伴隨一句“3、2、1，點火！”的口令，火箭騰空而起，沖上云霄。這是大多數(shù)人對火箭發(fā)射的印象。火箭飛入太空，一條漂亮的拋物線就是大家記憶的全部了，很少有人關心它還回不回來。
2024年1月19日，藍箭航天在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心實施了試驗箭垂直起降試驗，取得圓滿成功
的確，2015年以前，火箭都是一次性消耗品，發(fā)射升空就不再回來。然而，2015年“獵鷹9號”的成功回收，創(chuàng)造了歷史：原來火箭也可以重復使用，“航班化發(fā)射”并非不可能。
實際上，“中國航天之父”錢學森在1963年出版的《星際航行概論》里就曾這樣設想：“運輸火箭，不論第一級的大火箭也好，第二級的小火箭也好，只要加上翅膀，是能夠飛回地面的，所以運輸火箭是可以用許許多多次的?！?/p>
讓火箭“飛回家”，到底有什么好處？三句話——降本、增效、提質(zhì)。
最直接的是成本的控制——回收再利用，成本自然攤薄?！盎鸺厥帐侵苯咏档桶l(fā)射成本的最佳方式。過去發(fā)射火箭是一次性的，就好比‘坐一次性飛機’一樣浪費。當火箭實現(xiàn)回收后，它就能像飛機一樣多次起降飛行，把成本越攤越薄。”中國宇航協(xié)會成員、航天科普博主“神仙號船長”白國龍說。
其次，火箭可回收，意味著發(fā)射頻率上去了，這是產(chǎn)業(yè)擴容的希望所在。傳統(tǒng)火箭發(fā)射必須留出至少兩個月的準備期，還得緊盯時間窗口“看天吃飯”?！翱苫厥栈鸺煌瑑H需簡單修復維護就可再次發(fā)射，火箭利用率、發(fā)射頻率、發(fā)射靈活性的大幅提升，將極大提高快速進入太空的能力，大規(guī)模的太空探索與開發(fā)就有了可能?！鄙钏{航天創(chuàng)始人霍亮說。
此外，可回收火箭的運力升級，有助于太空探索整體提質(zhì)?！爱斍埃笮托亲M網(wǎng)尤其需要大運力、低成本、高頻次的火箭發(fā)射，大型可重復使用火箭正可支撐我國互聯(lián)網(wǎng)星座工程戰(zhàn)略?！彼{箭航天火箭研發(fā)部總經(jīng)理、朱雀三號總指揮戴政說。
回收火箭有幾難？
路線圖是簡明清晰的，但化圖紙為現(xiàn)實卻異常艱難。
一枚傳統(tǒng)火箭由兩級組成，一級在下，二級在上。目前的火箭回收，指的是當火箭飛到100多公里高度一級、二級分離后，二級進入預定軌道，原本只能自毀的一級返回發(fā)射原地的過程。簡言之，火箭“回收”，現(xiàn)階段意味著一級的“回家”。
它的“回家”，大致分三步。第一步是箭體分離、姿態(tài)調(diào)整。點火發(fā)射的火箭，上升到100多公里高度后，一級的發(fā)動機關閉，二級與一級分離。一級要返回地面，首先得“調(diào)頭”，也就是姿態(tài)調(diào)整。第二步是減速。掉頭后的火箭進入返航過程，速度很快，此時需要發(fā)動機第二次點火，把速度降下來。第三步是著陸懸停，由于火箭回到原地的理想姿勢是尾部向下，頭部在上，因此還需發(fā)動機第三次點火，調(diào)整姿勢，并給火箭一個反推力，使著陸時它的加速度與速度同時降為0。
為什么說火箭“回家”比火箭發(fā)射還要難？
最難的是“回得準”?！盎鸺陆颠^程中，隨著燃料的消耗、速度的變化，需要輸出不同大小的推力確保其平穩(wěn)減速，這就要求火箭發(fā)動機必須精確、動態(tài)地調(diào)節(jié)推力，并具備多次起動的功能?！睎|方空間公司引力二號火箭總設計師黃帥強調(diào)，火箭能順利返航，必須有一套精密算法仔細指點。
“落得穩(wěn)”也不容易?；鸺岛街?，下降姿態(tài)、著陸角度都必須得到高精度控制，一旦著陸角度不對，火箭就可能傾覆，引發(fā)燃料外泄導致爆炸。這一難度就好比把筷子丟進瓶子，更何況這還是一根下降速度超過1000米/秒的巨型“筷子”。實際上，即便做到了著陸前有效減速，也要考慮到重達幾十噸的火箭所帶來的巨大慣性。要知道，火箭里有大量精密的電子元器件，要確保這些“寶貝”能夠再次使用，必須點滿它們的緩沖技能值。
7月21日，深藍航天自主研制的星云一號火箭完成模擬高空回收飛行試驗
還有個難點是“用得久”。深藍航天副總經(jīng)理鄭澤介紹，可回收火箭要經(jīng)受多次重復使用、多次再入大氣層的考驗，就需要采用強度高、耐高溫而超輕薄的新型復合材料，攻克一系列材料性能難關，發(fā)動機等部件的可靠性要求尤高。此外，可重復使用的火箭，必須好保養(yǎng)，回收后簡單檢測維護就能滿足再次發(fā)射要求。這方面也有許多評估檢測的技術空白待填補。
探索不會止歇
中國火箭實現(xiàn)“有去有回”，還需要做什么？
“一方面，優(yōu)化火箭發(fā)射的管理審批流程，平衡好安全與效率。另一方面，建設更多發(fā)射場、發(fā)射工位，包括陸地和海上回收發(fā)射平臺，以適應更高頻次的發(fā)射需求?！卑讎堈f，創(chuàng)造一個技術快速迭代、流程和成本不斷優(yōu)化的環(huán)境，這條登山路才有望更加順暢。
火箭回收是困難的，但航天人的信心不磨。上海交通大學錢學森圖書館中，陳列著一個信封。1941年，錢學森在完成著名論文《柱殼軸壓屈曲》之際，在收納手稿的信封上用紅筆寫下“Final”(定稿)。擱筆時他突然意識到，“Final”也是“完結(jié)”：“對真理的追求，怎么會完結(jié)？”錢學森取過信封，又用黑筆寫了一句“Nothing is final”(凡事皆無止境)。
黃帥說：“我們對火箭回收技術的探索同樣永無止境。”
