复用技术开启航天运输新时代

<p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>核心提示</strong>：前不久，美国太空探索公司（SpaceX）利用猎鹰9号火箭成功将龙飞船发射升空，执行国际空间站货运任务，携带物资对空间站进行补给。在此次发射任务中，SpaceX公司再次尝试了火箭一子级回收试验，发射后，火箭第一级并没有像以往那样直接坠落地面，而是使用新型发动机反推，让其安全降落在海洋中。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">近年来，美国正在打造未来可回收版的猎鹰9号火箭，该火箭使用了新型发动机以及垂直起降技术，正在向可重复使用运载器做更深一步探索。在航天工业界，降低运输成本是整个航天领域面临的主要挑战之一，而其重要措施便是实现运载器的可重复使用。那么，可重复使用的航天器设计思想从何而来？ 现在发展情况如何？未来又将有什么样的表现呢？</p><p style="text-align: center; text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong> </strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>复用运载器从美国说起</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">1981年4月2日，美国哥伦比亚号航天飞机首飞成功，实现了天地往返运输系统的部分重复使用，这是重复使用运载器发展史上的一个重要里程碑。受美国航天飞机成功的鼓舞，20世纪80年代以来，世界各国掀起了重复使用运载器的研究热潮。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">可重复使用运载器分为升力体式可重复使用运载器和可重复使用运载火箭两种。与前者不同的是，可重复使用运载火箭是基于传统的一次使用运载火箭构型而开展重复使用设计，其回收方式可分为伞降回收、垂直返回与飞回式三种。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">升力体式回收方式技术先进性最高，但技术难度大，对运载器总体布局影响最大。伞降回收对于运载火箭总体布局有一定影响，垂直返回影响最小。值得一提的是，垂直返回可重复使用方式不采用降落伞减速，而采用反推发动机减速，其典型的代表就是美国SpaceX 公司设计的猎鹰9号火箭。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">早在2005年，世界第一枚部分可重复使用运载火箭猎鹰1号就通过降落伞回收技术，实现了可重复使用，但其上面级为一次性的。2011年9月，猎鹰9号火箭的问世，使得美国完全可重复使用技术的研制又向前迈进了一大步。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">为了研制猎鹰9号火箭单项可回收关键技术，SpaceX公司制定实施了“蚱蜢”验证机计划，验证垂直起飞垂直降落技术。蚱蜢火箭使用了全新的垂直起降技术，运载火箭发射后可以自动降落在预定场地上，不需要从海洋中通过人工打捞火箭助推器或者其他部件。“蚱蜢”共进行了8次演示，最大高度达到744米，横向机动100米，试验全部成功。有媒体报道，后续配备9台发动机的新蚱蜢验证机将进行高度更高的飞行试验，为完全可重复使用“猎鹰9号”的研制奠定技术基础。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>不断尝试中看到希望</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">为了进一步验证火箭发动机可回收技术，SpaceX公司曾尝试开展猎鹰9号改良型火箭一子级海面软着陆试验。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">但在实际试验中，火箭二子级由于发动机流体管路结冰致使点火器无法启动，发动机重起试验失败。由于一子级在返回过程中箭体发生翻滚，推进剂离心运动从而造成发动机熄火，最终导致软着陆试验失败。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">在第一次尝试失败后，SpaceX公司在今年4月的一次发射任务中，再次进行“猎鹰9号”一子级可重复回收试验。试验中，火箭一子级返回过程中发动机进行两次点火，第一次点火用于降低火箭速度以保证箭体能够降落于预先指定的降落区域，第二次点火用来保证火箭能够缓降于海中。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">SpaceX公司通过使用更强的姿控发动机和更多的氮气推进剂，来控制一子级的滚转速率，解决了之前试验箭体滚转失控的问题。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">可以预见，未来可重复使用“猎鹰9号”火箭包括可重复使用的一子级和二子级，并且加装了垂直起降着陆系统。完成任务的一子级、二子级最终垂直返回发射场，使用可回收发动机点火反推实现减速、着陆。返回后的子级经修复、组装并补充燃料后，可重新执行发生任务。这一目标，美国有望在2015年实现。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>尺有所短寸有所长</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">俗话说：尺有所短，寸有所长。虽然在可重复使用方面取得了突破性进展，但目前像“猎鹰9号”这样的可重复使用火箭也有明显的不足。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">在研制技术方面，其难点在于发动机大范围变推力调节、返回过程控制系统、贮箱推进剂管理系统和着陆支撑系统。由于有“阿波罗”登月舱等技术作为基础，使得一子级的垂直返回回收技术难度相对较小，而主要困难在于二子级返回时将面临严酷的气动热环境。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">在运载能力方面，相较于伞降回收方式，垂直返回方式使火箭的运载能力有较大幅度下降。采用垂直返回的一、二子级运载能力损失率分别高达52%和59%。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">在降低成本方面，“猎鹰9号”采用全液氧煤油发动机，可实现最简单的方法和最低廉的成本获得满意的真空比冲，由此避免了专门研制先进氢氧发动机的昂贵费用。但是，有研究表明，“猎鹰9号”只有在重复使用20次以上时，其发射成本才会低于一次性使用的发射成本。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">尽管如此，可重复使用的火箭还是拥有相当的优势。其一，可回收火箭能够根本上解决残骸坠落问题。火箭残骸落地是各国进行航天发射时都要面临的问题，对火箭残骸落点进行更为精确的控制，一直是科研人员不断努力的方向。其二，一旦技术成熟，可重复使用的运载火箭将能大幅降低发射成本。随着空间运输需求不断扩大，商业航天的比重也逐步增大，高可靠性与低成本的航天发射矛盾日益突出。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">目前，世界各国基本上都采用一次性使用的运载火箭，存在发射费用过高、地面发射准备时间长、安全可靠性相对较低等缺点，严重制约了空间商业化以及空间科学研究和军事应用的发展。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">长期以来，世界各主要航天大国在运载火箭可重复使用的道路上不断摸索，但从未奢望在短期内实现。而SpaceX公司的可重复使用探索给世界航天带来一丝曙光，在现有的技术、工业基础上，可重复使用的实现也许并不遥远。（吕静）</p><br />