“拾荒”界的“扛把子”

人類(lèi)第一次發(fā)射火箭以來(lái)，火箭的殘骸要么落下來(lái)報(bào)廢，要么變成太空垃圾四處游蕩。然而，自從2016年馬斯克的“獵鷹九號(hào)”火箭在海上平臺(tái)成功回收后，火箭回收便在全世界航空航天界流行了起來(lái)。

1.火箭回收利大于弊

實(shí)際上，在馬斯克之前，美國(guó)的商業(yè)太空公司“藍(lán)色起源”便已經(jīng)使用“新謝潑德”火箭將同名的飛船送到了太空，并且成功完成了火箭和飛船的回收。只不過(guò)，“新謝潑德”火箭和飛船的飛行高度僅達(dá)到100.5千米， 剛剛越過(guò)“卡門(mén)線”?？ㄩT(mén)線是國(guó)際上公認(rèn)的外太空與地球大氣層的分界線。馬斯克的“獵鷹九號(hào)”則直接將搭載的衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道。

那么，世界各國(guó)為什么都要爭(zhēng)前恐后地進(jìn)行火箭回收研究和試驗(yàn)?zāi)兀?/p>

原來(lái)，所有的航天器都需要運(yùn)載火箭來(lái)幫助它們實(shí)現(xiàn)升空。目前，人類(lèi)采用的一次性運(yùn)載火箭在推動(dòng)飛船或衛(wèi)星進(jìn)入太空的過(guò)程中，不得不拋棄一些零部件。比如第一級(jí)助推火箭、第二級(jí)助推火箭、逃逸塔、整流罩等。如果我們能夠成功將這些零部件回收并重復(fù)使用，必將大大降低太空探索的成本。同時(shí)，火箭回收還有利于保護(hù)地面人員和財(cái)產(chǎn)的安全。因?yàn)榈谝患?jí)助推火箭、第二級(jí)助推火箭、整流罩等會(huì)因?yàn)椴荒芡耆紵兂蓺埡〉袈浠氐孛妗?/p>

從目前世界各國(guó)的實(shí)際操作來(lái)看，回收運(yùn)載火箭的工作主要在于對(duì)第一級(jí)助推火箭的回收，以及同時(shí)將第一級(jí)助推火箭和第二級(jí)助推火箭全部回收。

一般來(lái)說(shuō)，第一級(jí)助推火箭是火箭的主要發(fā)動(dòng)機(jī)，負(fù)責(zé)將火箭帶離地球的大氣層，并給火箭提供足夠的速度和高度來(lái)進(jìn)入軌道。第一級(jí)助推火箭具有尺寸大、重量重、高價(jià)值、原件多等特點(diǎn)，而且它在飛行過(guò)程中會(huì)分離并返回地面。因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)第一級(jí)助推火箭的回收難度不是那么大，而且?guī)?lái)的收益也會(huì)更大。

第二級(jí)助推火箭則是在第一級(jí)助推火箭完成使命后啟動(dòng)的另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，它們通?？梢员欢啻吸c(diǎn)燃，因此能將火箭推向更高的高度，并將火箭帶入更遠(yuǎn)的軌道。第二級(jí)助推火箭尺寸較小，重量也較輕，設(shè)計(jì)和制造的要求也較高。因此，對(duì)第二級(jí)助推火箭回收再利用的難度和代價(jià)要比僅回收第一級(jí)助推火箭大得多。所以，全世界各國(guó)現(xiàn)在回收火箭技術(shù)的研究基本上是針對(duì)第一級(jí)助推火箭展開(kāi)的。

2.回收火箭的方式

2023年7月18日，美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司的“電子號(hào)”小型運(yùn)載火箭執(zhí)行了第39次發(fā)射。這是一款高度僅18米、直徑1.2米、起飛重量12.5噸、低軌運(yùn)力僅有300千克的兩級(jí)小型運(yùn)載火箭。由于此次發(fā)射采用了“箭體傘降、緩降落海、船只打撈”回收第一級(jí)助推火箭的方式，因此受到世界各國(guó)的關(guān)注。

“電子號(hào)”在發(fā)射升空2分30秒后，第一助推火箭、第二級(jí)助推火箭成功分離。第一級(jí)助推火箭分離后，立即打開(kāi)引導(dǎo)傘，用于穩(wěn)定火箭箭體的姿態(tài)。隨后，降落傘打開(kāi)，用于緩解火箭箭體下落的速度。最后，根據(jù)第一級(jí)助推火箭上攜帶的信標(biāo)，回收船趕到現(xiàn)場(chǎng)，將其從海里撈起來(lái)。

據(jù)了解，目前火箭回收主要有降落傘回收、垂直起降回收和滑翔回收三種技術(shù)。

而此次“電子號(hào)”便是利用了降落傘回收技術(shù)。降落傘回收技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，火箭運(yùn)力損失較??；缺點(diǎn)則在于降落傘對(duì)火箭箭體的控制能力較差，降落的地域隨機(jī)性較大。另外，海水對(duì)火箭箭體的腐蝕性，也是讓科學(xué)家頭痛的問(wèn)題。

垂直起降回收技術(shù)可以通過(guò)垂直降落回收第一級(jí)助推火箭并重復(fù)利用，它要求該火箭能夠垂直起飛并且垂直降落。簡(jiǎn)而言之，就是第一級(jí)助推火箭預(yù)先留下一部分燃料，當(dāng)與第二級(jí)助推火箭分離之后，主發(fā)電機(jī)再次點(diǎn)火，以確保第一級(jí)助推火箭降落到預(yù)定的著陸場(chǎng)地。不過(guò)，垂直起降回收技術(shù)的難度相對(duì)來(lái)說(shuō)很大。

2024年1月19日，我國(guó)民營(yíng)企業(yè)自主研制的可重復(fù)使用液氧甲烷運(yùn)載火箭“朱雀三號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成飛行試驗(yàn)。這款垂直起降可重復(fù)使用的火箭長(zhǎng)76.6米，直徑4.5米，起飛重量約660噸，運(yùn)載能力約21.3噸。此次試飛飛行時(shí)間約60秒，飛行高度約350米，著陸位置精度更是達(dá)到了2.4米。

滑翔回收技術(shù)要求發(fā)射國(guó)家國(guó)土廣袤，以便火箭返回機(jī)場(chǎng)。同時(shí)由于其需兼顧火箭和飛機(jī)兩b6EObwHYFlyCKAEHBQauew==種飛行模式，導(dǎo)致系統(tǒng)異常復(fù)雜，并且綜合成本極高。所以，對(duì)于滑翔回收技術(shù)的研究一直進(jìn)展緩慢。

3.第二級(jí)助推火箭回收

第二級(jí)助推火箭是指在第一級(jí)助推火箭發(fā)射后，由第一級(jí)助推火箭發(fā)射的物體再次發(fā)射的火箭。一般來(lái)說(shuō)，第二級(jí)助推火箭可以用于時(shí)間更長(zhǎng)的任務(wù)，并飛到更遠(yuǎn)的距離。也就是說(shuō)，它能夠?qū)⑽矬w發(fā)射到更高的軌道。當(dāng)然，有些火箭還可能使用第三級(jí)助推火箭、第四級(jí)助推火箭，甚至更多級(jí)別助推火箭的設(shè)計(jì)，以達(dá)到更高的速度和更遠(yuǎn)的距離。

科學(xué)家為了實(shí)現(xiàn)更大的回收利益，進(jìn)一步降低太空探索的成本，把目光投向了第二級(jí)助推火箭的回收。國(guó)外的研究數(shù)據(jù)顯示，如果回收再利用第一級(jí)助推火箭，大致能降低運(yùn)載火箭成本的80%；如果回收再利用第二級(jí)助推火箭，運(yùn)載火箭的成本將降低99%左右。

但是，第二級(jí)助推火箭從軌道返回地球的速度高達(dá)25馬赫（相當(dāng)于25倍音速）。要回收第二級(jí)助推火箭首先需要考慮其上面的燒灼、隔熱結(jié)構(gòu)。

美國(guó)迄今為止一共建造了6艘宇宙飛船。但他們使用的增強(qiáng)型碳-碳隔熱瓦耐撞擊性、可替換性差，最終成為其致命缺陷。一塊隕石從太空墜落進(jìn)入大氣層后，由于與大氣產(chǎn)生劇烈摩擦，其表面溫度超過(guò)2 000℃。絕大多數(shù)隕石也會(huì)因此熔融、剝離、分解，最終消失在大氣層中。

第二級(jí)助推火箭從卡門(mén)線以上向地面墜落的過(guò)程中，也會(huì)面臨高溫?zé)频膯?wèn)題。馬斯克的太空探索技術(shù)公司就曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)品“龍”飛船在返程途中進(jìn)入地球大氣層時(shí)受到了傷害。他們?cè)陲w船的隔熱瓦上發(fā)現(xiàn)了一些沒(méi)有想到的流動(dòng)現(xiàn)象，而且腐蝕現(xiàn)象比預(yù)期的還要嚴(yán)重。

實(shí)際上，耐熱和返回結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，僅僅是第二級(jí)助推火箭回收技術(shù)中需要解決的眾多問(wèn)題中的一個(gè)。到目前為止，世界各國(guó)提出了諸多第二級(jí)助推火箭回收技術(shù)的思路。比如，帶滑翔翼返回方案、火箭主動(dòng)冷卻方案、柔性充氣式熱盾方案等。但是，不論哪一種思路或方案都面臨著許許多多的問(wèn)題，人類(lèi)對(duì)于第二級(jí)助推火箭回收技術(shù)的探索仍然還在繼續(xù)。