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群雄逐鹿,火箭回收复用方案比拼_风闻

来源:中国航天报

11月18日,美国“星舰”进行第二次试飞,未能按计划实现回收。此前,“双曲线二号”完成了我国首次液体火箭全尺寸一子级垂直起降与复用飞行试验,“天龙三号”等可回收复用火箭的首飞计划也陆续公布。可回收复用火箭需要解决哪些技术难题?纵观国内外型号,有望选用哪些设计方案?它们各自具备怎样的优缺点呢?

转变思路

要求较高

火箭回收复用可以显著降低综合成本,受到了国内外航天科研人员青睐。不过,这个目标对于火箭发展思路转变和技术手段升级都提出了更高的要求,需解决一系列难题。

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我国“双曲线二号”进行一子级回收试验

可回收复用火箭的构型倾向于简化设计,大致可分为两类:第一级(起飞级)回收以及第一级、第二级(轨道级)全回收。其中,火箭第一级的关机速度约为2000米/秒~3000米/秒,承受气动加热相对没那么严重,而且自身结构尺寸较大,高价值元器件较多,实现回收复用的代价较小,有望带来更大的收益。而火箭第二级高速入轨的过程中,气动加热剧烈,受到较严苛的质量限制,实现回收复用的难度和代价要远远大于第一级。因此,各方研究的火箭回收复用方案多数针对第一级。

当然,火箭第一级回收复用仍不是简单的工作。首先需要明确,火箭回收复用不是目的,而是节约成本的手段,必然会付出损失运力的代价,因此科研人员需要认真权衡设计方案的效费比,满足一定的效益标准,并且尽量缩短火箭复用发射周期。如果火箭总体性能较差或构型选取不佳,导致回收复用收益降低,那么这种“纯粹的技术成就”是缺乏现实意义的。

其次,火箭回收复用对于构型、动力系统等都提出了更高的要求。比如,为了降低复杂性,大多数可回收复用火箭选择两级“光杆”设计,第一级将多台发动机集成到一个模块中,希望简化制造、组装过程,因此对发动机的可包络性和承力结构提出了新要求。猎鹰9火箭第一级的8台发动机环绕1台布局就属于新尝试。

再比如,传统火箭第一级对质量不太敏感,而可回收复用火箭为了获得较大收益,要求第一级进行较大幅度地减重。受限于第一级的返回速度限制,火箭第二级需要提供的速度增量更多,因此必须同步提高性能,为此增加的成本不宜超过第一级回收复用的收益。

最后,火箭第一级有必要在反推力发动机、降落伞等技术手段辅助下精确返回预定落区,高精度导航必不可少,克服气动加热的耐烧蚀箭体材料不可或缺,对箭载计算机、推进剂分配系统等性能也提出了更高的要求。

三路并进

各有优劣

当前,国内外在火箭第一级回收方案上主要有3种技术途径:降落伞回收、滑翔回收和垂直起降回收。三者各有优劣,具体选择哪种方式,科研人员需根据技术积累和追求目标而定。

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美国电子号火箭第一级利用降落伞回收

事实上,降落伞回收是最传统的火箭回收复用方案。火箭第一级分离后,通过气动加热、振动等重重考验,展开降落伞减速,最终或在海上溅落,或借助着陆腿和气囊,安稳落地,或由直升机从空中抓取。美国火箭实验室公司的电子号火箭是商业化应用降落伞回收方案的典型案例。

该方案的优点是系统简单,火箭运力损失较小。缺点是开伞后火箭第一级控制能力较差,导致着陆地区域的随机性较大。此外,海上溅落需克服盐雾腐蚀难题,陆上着陆需配备质量、冲击力较大的着陆腿,直升机空中抓取则极大限制了火箭尺寸,导致大中型火箭难以采用该方案。

此前,该方案多用于回收固体火箭和航天飞机助推器。电子号火箭得益于碳纤维箭体和电泵发动机,质量控制较好,受海水影响相对较小,因此使用了降落伞回收方案。

带翼火箭回收在20世纪90年代一度成为热门,被视为航天飞机或空天飞机的过渡方案,性能优势明显。但该方案要求发射国家拥有广袤的国土,以便火箭返回机场,综合成本较高,而增装的可折叠机翼质量较大,难免会给火箭结构研制带来挑战,可靠性面临考验。另外,该方案需同时兼顾传统火箭和飞机两种运行状态,导致系统复杂,始终未成为火箭主流回收方式。俄罗斯曾经提出过多种类似的火箭滑翔回收方案,但均未实用化。

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猎鹰重型火箭的两枚助推器垂直着陆回收

火箭垂直起降回收是近年来逐渐形成的发展趋势。简单地说,火箭第一级在分离后预留一些燃料,主发动机在下落过程中再次开机,确保火箭第一级降落到海上平台或陆上着陆场。该方案使火箭第一级实现了宽域定点回收,便于迅速入厂翻修,经济性较好。

与之相对应的是,该方案需要严格的质量控制和较高水平的技术投入,克服一系列新问题,包括火箭第一在无动力滑行段的推进剂管理、发动机多次启动和大范围变推力性能、无火工多次点火方式等,实现难度较大。

值得注意的是,火箭垂直起降回收方案普遍不具备悬停能力,依赖承力较大的着陆腿抗衡着陆冲击,风险不小。目前,一些地面助降系统正在研发中,尝试应用绳网捕获技术等,取代着陆腿,有望改善回收的可靠性。

此外,在一些新型可回收复用火箭上,全流量补燃循环发动机将取代燃气发生器循环发动机,进一步提升火箭运力。不过,全流量补燃循环属于强耦合系统,对发动机时序调整的精度要求极高,因此在垂直起降火箭上真正大规模投入使用仍需一些时间。

解放思路

追求极限

为了追求更高的性能和更大的收益,一些航天企业提出了更加激进的火箭两级全复用方案。考虑到轨道返回速度高达25马赫,使用类似回收火箭第一级的直接再入模式显然是行不通的,必须通过增设非烧蚀隔热结构,保障火箭第二级安全地高速再入。

其实,科研人员设计火箭第二级回收复用方案时,可以适当参考航天飞机和空天飞行器的经验教训。航天飞机累计134次轨道再入,133次成功返回,但其使用的增强型碳-碳隔热瓦耐撞击性、可替换性差,成为致命缺陷。X-37B空天飞行器吸取教训,选择了整体增韧抗氧化复合材料,拥有更高的耐受温度和强度。

不过,火箭的大部分容积和质量用于推进剂,第二级返回时近似“空载”状态,如果配备机翼和大量防热结构,运载效率将难以接受。因此,一些小尺寸的火箭第二级可以考虑带翼滑翔返回方案,大多数新一代火箭必须应用新体制的耐热和返回结构。

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“星舰”第二级为回收做了许多准备工作

对此,各方给出了不同的新思路。SpaceX公司考虑到超高速再入所带来的热负荷超出了碳纤维或传统铝锂合金的耐受范围,为“星舰”选定不锈钢箭体,并敷设模块化轻质隔热瓦,便于低成本快速替换。“星舰”第二级返回流程复杂,先进行半弹道再入,借助配平翼调整俯仰,在着陆前“抬头”,启动发动机减速,最终垂直着陆。这对推进剂管控工作和发动机宽域进口点火能力都提出了空前的考验,因此“星舰”应用了头部小储罐,希望避免气液晃动造成的发动机入口“夹气”问题,不惜损失部分性能,确保发动机可靠地点火。

还有一些航天公司选择了主动冷却方案,也就是在火箭第二级上应用了液氢再生冷却隔热措施,加热的氢气直接流入发动机。美国宇航局和一些公司测试了柔性充气式热盾,有可能用于火星着陆器,也可以用于回收火箭第二级。不过,这种“气垫”在本质上属于轨道级降落伞,或许下降的过程中需要由直升机空中捕获。至于提高火箭第二级回收复用的经济性,相关探索仍在继续。

从猎鹰9火箭到“星舰”,从奋力攻关的试验火箭到大胆探索的新一代可回收复用火箭方案,更高效益、更高周转效率的航天运输“新画卷”正在徐徐展开。为了追求高回报率,运载火箭的传统理念逐渐被更新,引导着新技术、新工艺广泛投入实用化。火箭复用不易,未来前景无限。