我国公布重复使用运载火箭方案,但「重复再利用」仅仅是手段

我国公布重复使用运载火箭方案,但「重复再利用」仅仅是手段

当埃隆·马斯克和他的 SpaceX 公司成功实现运载火箭的回收再利用,这一技术的突破成为全球航天史上一个重要的里程碑。

这件事情的意义在于把人类地外探索能力在现有的航天技术基础上极大增强,从成本和实用性上让太空探索能够覆盖更远的星球,就像马斯克在关于 SpaceX 之前采访中聊到的,如果人类不能最终成为多行星物种,这是件很悲哀的事。

实现这一切的基础在于技术进步,而技术的进步一方面需要科研的投入,另一方面是供技术落地的行业发展。除了 SpaceX,中国的航天也正在快马加鞭,与互联网行业之间的「差异化」战略路线相似,在国与国之间的竞争中,中国依旧保持了「中国路线」。

近日,我国首次向全球公布了正在进行的可重复使用运载火箭方案。中国航天科技集团一院科技委主任鲁宇表示,在重复使用技术上,我们的基本观点是要符合我们中国发展的国情,怎么能够真正实现低成本。

回收利用,真的省钱了?

无疑,运载火箭方案的回收再利用的最大价值在于降低成本。能够降低多少?今年 3 月,当猎鹰 9 号一级火箭着陆后,埃隆·马斯克在公司的直播视频中如此评价这项成就:它意味着我们可以使用一个轨道舱助推器进行多次飞行了,那可是整个火箭最昂贵的部分。

也就是说,助推器是整个火箭最昂贵的部分,而助推器又分为一级、二级等。目前,SpaceX 只是在进行一级助推器的回收再利用。

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SpaceX 总裁兼首席运营官格温·肖特维尔曾介绍,目前精确确定回收火箭会降低多少发射费用还为时过早,但是一级火箭燃料费用不到 100 万美元,而一级火箭回收后整修开支约 300 万美元,那么回收后再发射降低约 30% 成本、约 4000 万美元是可行的。

理论上,降低的成本=助推器制造成本—维修成本—回收成本。但是,火箭在发射和回收过程中要克服重大温度变化、大气压力等困难,箭体可能受到不同程度的损伤。其中,存在的一个风险是回收回来的助推器不能被再次利用。另外,还要考虑到助推器的使用寿命等因素。

所以,不难理解为什么肖特维尔说,谈降低多少发射费用还为时尚早。这更像是一个统计学实验,只有在多次的重复实验之后,才能模拟一个比较合理的数字。

SpaceX 虽然成功了,这标志着一项技术的突破,但是真正以「回收再利用」实现低成本可能还需要一段路要走。

低成本的中国路线

中国航天科技集团公司一院研究发展中心副总设计师申麟曾介绍,目前共有三种办法可实现回收后重复使用。

第一种是采用「降落伞+气囊」的方式回收。

第二种是给火箭助推器装上可控翼伞,加上小型控制系统,使火箭助推器分离后能像类似翼装飞行一样调整角度,利用卫星导航滑翔落下。

第三种是采用类似美国 SpaceX 公司的垂直回收方式。这需要高精度的姿态控制技术、主发动机多次启动技术、下落过程中推进剂管理技术以及着陆支撑机构等关键技术。

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据介绍,我国目前正在开展的回收运载火箭技术研究,包括垂直起降方案和伞降方案,目前这两个方案经完成部分试验验证,一些关键技术已经突破。

在重复使用上,我国提出发展升力体式重复使用运载器「三步走」的发展思路:第一步:火箭动力部分重复使用;第二步:火箭动力完全重复使用;第三步,组合动力飞行器。

不过,中国的火箭专家表示,实现低成本,重复使用并非唯一出路。中国航天科技集团一院长征七号运载火箭总指挥王小军说,比如通过箭上系统的优化,我们可以减少 25% 的传感器使用,特别是那些昂贵的传感器。

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举例来说,在没有大幅增加成本的情况下,长征七号实现了比长征二号 F 系列火箭,运载能力提升 70% 左右,可靠性也显著提升。快舟 1 号甲火箭使用固体推进机,发射准备时间短,对发射场的要求低,让航天发射更加便捷。虽然它的运载能力只有 200 公斤左右,但针对现在蓬勃发展的微小卫星,它能够让发射成本降低到每公斤 3 万美元,而国际上同类火箭的发射成本是每公斤 4 万美元左右。

「低成本、强性能」是目的,「回收再利用」是手段。

中国航天 60 年运载火箭历程

1 长征系列运载火箭具备发射低、中、高不同轨道,不同类型载荷的能力,具备 LEO 运载能力 25 吨,GTO 运载能力 14 吨,运载能力和入轨精度水平一流。

2 具备了自主载人发射能力。

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3 具备了高密度发射能力。2011 年至今,长征系列运载火箭共完成了 110 次发射,年平均发射超过 16 次,成功率超过 97%。

4 具备了深空探测与空间轨道转移能力。长征五号火箭地月转移轨道运载能为 8.2 吨,地火转移轨道发射能力为 5 吨。目前,远征系列上面级最长在轨工作时间达到 48 小时,发动机最多启动次数达到 20 次,使用灵活、任务适应性强,被誉为「太空摆渡车」。

下一个小目标

据了解,目前我国正在进行关键技术攻关的重型火箭和新一代低成本中型运载火箭长征八号的最新进展。

鲁宇介绍,重型火箭瞄着 2028 年到 2030 年前后首飞,主要用于未来的深空探测,特别是建立月球基地,载人登月等方面的需求;长征八号主要在新一代火箭里面提供一个相对成本比较低的运载火箭,最快在 2018 年可以实现首飞。

可以看出,航天的发展大致是围绕低成本与提升运载能力进行。对于大众而言,最大的期待是用最少的钱去旅游还是「移民」?

埃隆·马斯克说,我觉得我做这些事的时候,美和灵感的价值很明显被大大地低估了,但我想说清楚,我没有想要成为救世主,我只是在尝试着关心未来,不想自己太过失望。

追求的生活方式,朴素却又那么不平凡。

资料参考:

澎湃新闻网,《中国可重复使用火箭概念方案:包括垂直起降和伞降》

中国航天科技集团,《燃爆了!航天科技集团可重复使用火箭「三步走」计划首曝光》

题图来源:视觉中国

火箭可重复使用SpaceX运载火箭
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