可回收火箭：打造航天“經(jīng)濟(jì)艙”

郭偉

2015年末，美國藍(lán)色起源公司和美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）先后回收火箭成功。2016年4月2日，美國藍(lán)色起源公司首次實(shí)現(xiàn)“二手火箭”發(fā)射再著陸回收。近日，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院有關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人也回應(yīng)媒體稱，我國可回收火箭技術(shù)進(jìn)入攻關(guān)階段。

拋卻復(fù)雜的技術(shù)突破不提，火箭回收意義簡單明了：發(fā)射成本有望大幅降低，“低價(jià)太空旅行”成為可能。一個(gè)面向商業(yè)和大眾的航天新時(shí)代，行將開啟。

難度有多大？——“在狂風(fēng)中讓掃帚柄直立于手掌上”

美國太空探索技術(shù)公司曾先后三次嘗試在海上平臺(tái)回收火箭均鎩羽而歸。

2015年2月12日，獵鷹9號雖然在海面上成功軟著陸，但最終落入水中。

2015年4月14日，由于橫向速度過大，獵鷹9號著陸時(shí)未能在甲板上站穩(wěn)，最終導(dǎo)致傾覆爆炸。

2015年6月28日，獵鷹9號遭遇發(fā)射失敗，火箭和其運(yùn)輸?shù)娘w船在高空爆炸解體。

“和海上回收相比，陸地回收火箭相對對天氣和場地要求要寬松，而且手段可以更多，技術(shù)相對容易實(shí)現(xiàn)。但與在陸地平臺(tái)回收相比，海上回收成本更低，也正因如此，美國太空探索技術(shù)公司直接向難度更大的海上回收發(fā)起挑戰(zhàn)。雖然多次失敗，但勇氣和膽識令人敬佩。”北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院宇航制造系副教授焦?jié)M囤介紹，“實(shí)際上，簡單或容易只是相對來講，以現(xiàn)有航天技術(shù)而言，無論是陸地還是海上回收，都是很大挑戰(zhàn)。”

“難題主要有兩個(gè)?！苯?jié)M囤解釋，“首先難在控制火箭姿態(tài)。要使細(xì)長的箭體垂直精確著陸在指定地點(diǎn)很難。在返回過程中，第一級火箭是通過箭上的液氮推力器來調(diào)整姿態(tài)的，以應(yīng)對氣動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)的影響。要使其幾乎沒有任何滾轉(zhuǎn)，在降落過程中一直與地面保持垂直狀態(tài)，有人形容其難度猶如‘在狂風(fēng)中讓掃帚柄直立于手掌上。第二大難點(diǎn)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要具有推力可調(diào)和多次啟動(dòng)的功能來實(shí)現(xiàn)軟著陸，這也是現(xiàn)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不具備的特性?！?/p>

電子控制系統(tǒng)是火箭的大腦，由遍布箭體的各種傳感器獲取火箭飛行的各種參數(shù)，然后通過信息匯總、計(jì)算，及時(shí)調(diào)整飛行方案。接著通過各種控制部件，執(zhí)行指令?？梢韵胍?，這把在狂風(fēng)中兀自直立的“掃帚”，需要一套多么強(qiáng)大的電子控制系統(tǒng)。

今年3月和4月，美國太空探索技術(shù)公司又先后兩次嘗試海上回收火箭但最終失敗。競爭對手“藍(lán)色起源”則在4月2日再次成功回收火箭。

增大推進(jìn)劑系統(tǒng)冗余、可調(diào)節(jié)推力和多次啟動(dòng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、主體火箭與助推火箭交叉供給推進(jìn)劑、電子控制系統(tǒng)……焦?jié)M囤認(rèn)為，火箭回收要想獲得高幾率成功，還有待上述技術(shù)進(jìn)一步成熟。

錢能省多少？——“回收火箭第一級最高省8成資金”

在回收火箭前，人類早就造出過可反復(fù)使用的航天運(yùn)載工具——航天飛機(jī)。

“美國研制航天飛機(jī)的目的之一就是為了降低宇航活動(dòng)的成本。而航天飛機(jī)返回后維修量太大，導(dǎo)致成本大大提高，原本估計(jì)每次飛行成本約3000萬美元，實(shí)際成本卻大大超出?！庇袑＜彝嘎?，由于系統(tǒng)過于復(fù)雜、再利用成本極其高昂，航天飛機(jī)被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是一個(gè)失敗的科研項(xiàng)目，其發(fā)射費(fèi)用達(dá)到令人瞠目結(jié)舌的15億美元。

“可回收火箭的成本價(jià)格比航天飛機(jī)便宜很多。這不僅體現(xiàn)在發(fā)射層面，整個(gè)綜合運(yùn)行和使用成本都不在一個(gè)數(shù)量級上?！苯?jié)M囤介紹，“無論執(zhí)行什么任務(wù)，航天飛機(jī)必須有成員，可回收火箭則可執(zhí)行無人發(fā)射任務(wù)。此外，可回收火箭可靈活地根據(jù)發(fā)射載荷進(jìn)行調(diào)整和改裝，而航天飛機(jī)則不同，無論你是把一個(gè)衛(wèi)星帶上去，還是把一個(gè)空間站零件帶上去，你花的錢基本是一樣多的。不僅如此，可回收式火箭還可以執(zhí)行密集頻次的發(fā)射，航天飛機(jī)的準(zhǔn)備和檢查工作則要比火箭繁瑣得多，造成發(fā)射周期過長?！?/p>

理論而言，火箭的發(fā)射成本里面，燃料的費(fèi)用非常低。以獵鷹9號為例，單次發(fā)射費(fèi)用為5400萬美元，但燃料費(fèi)用只有20萬美元。“航天發(fā)射成本一直居高不下，送1公斤物質(zhì)上天的成本在1萬至2萬美元，主要原因就是發(fā)射航天器的運(yùn)載火箭是一次性使用的。”焦?jié)M囤介紹，“如果能回收并重復(fù)使用第一級，可節(jié)省資金80%。如果第二級也能回收并重復(fù)使用，發(fā)射成本將降至目前的1%?！?/p>

但要在未來的實(shí)踐中大幅降低成本并非這么簡單。“回收火箭和重復(fù)使用火箭仍有一段路要走?！睂＜冶硎?，必須研制出類似普通飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣可往返天地、重復(fù)使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，降低回收后的維修成本和時(shí)間。

“拔下火箭上那些電線束，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們依然是最初的樣子，金屬仍然有光澤。脫去發(fā)動(dòng)機(jī)附近的熱防護(hù)系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)干凈得沒有一點(diǎn)瑕疵，非常漂亮。”美國太空探索技術(shù)公司總裁肖特維爾在“獵鷹9號”成功回收后，對火箭主要部件的可重復(fù)使用性充滿信心。

影響有多深？——“人類太空探索步伐或?qū)⒋蟠蠹涌臁?/p>

“重復(fù)使用將是未來運(yùn)載火箭發(fā)展的必然趨勢，無論在商業(yè)上還是在軍事上都有巨大價(jià)值。但單純就火箭回收技術(shù)而言，毫無疑問在民用航天領(lǐng)域更有用武之地?！苯?jié)M囤認(rèn)為，這一技術(shù)的成熟和普及將改寫現(xiàn)有的全球航天市場。

美國太空探索公司表示，該公司今年一共有18次發(fā)射，其中11月將首次發(fā)射重型獵鷹運(yùn)載火箭，這一火箭可將53噸重的載荷送往低地球軌道。一旦發(fā)射成功，它將成為全世界在役的運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。

“航天器材‘定制的運(yùn)作模式也在這一輪輪降低成本的實(shí)驗(yàn)中改寫?！苯?jié)M囤介紹，傳統(tǒng)航天業(yè)往往采用研發(fā)模式，每一枚火箭都需要設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試，環(huán)節(jié)復(fù)雜，成本高昂。SpaceX則開啟了流水線化的生產(chǎn)模式，只要一次成功，便可次次成功。通過類似電視、洗衣機(jī)一樣的規(guī)模生產(chǎn)，大幅度降低成本。

低成本和大運(yùn)力，將成為決勝未來火箭發(fā)射市場的關(guān)鍵因素。美國航天基金會(huì)2015年發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2010年至2014年間，全球航天業(yè)保持每年6%到7%的穩(wěn)定增長，其經(jīng)濟(jì)總量達(dá)到3300億美元，其中約76%來自商業(yè)航天領(lǐng)域。商業(yè)航天正成為帶動(dòng)全球航天經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎。

有專家表示，如同航海一樣，航天時(shí)代也即將邁入新的時(shí)代，航天正從國之重器、國之大業(yè)，慢慢走向商業(yè)化和大眾化。航海普及耗時(shí)幾百年，但從目前趨勢看來，航天普及要走的路，將短得多。

“從長遠(yuǎn)看，可重復(fù)使用的火箭能夠降低相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)入空間的門檻，還能使人類探訪甚至移居其他星球的夢想成真，大大加速人類進(jìn)入太空的步伐?！苯?jié)M囤認(rèn)為，對于中國航天技術(shù)研究而言，也應(yīng)從中獲得啟發(fā)，積極引入市場力量，發(fā)揮眾創(chuàng)活力，書寫屬于自己的航天新紀(jì)元。