可回收火箭:打造航天“经济舱”

未知   2016-05-08 10:10:40


口 郭伟


图/“猎鹰9号”发射场景

2015年末,美国蓝色起源公司和美国太空探索技术公司(SpaceX)先后回收火箭成功。2016年4月2日,美国蓝色起源公司首次实现“二手火箭”发射再着陆回收。近日,中国运载火箭技术研究院有关技术负责人也回应媒体称,我国可回收火箭技术进入攻关阶段。

抛却复杂的技术突破不提,火箭回收意义简单明了:发射成本有望大幅降低,“低价太空旅行”成为可能。一个面向商业和大众的航天新时代,行将开启。

难度有多大?——“在狂风中让扫帚柄直立于手掌上”

美国太空探索技术公司曾先后三次尝试在海上平台回收火箭均铩羽而归。

2015年2月12日,猎鹰9号虽然在海面上成功软着陆,但最终落入水中。

2015年4月14日,由于横向速度过大,猎鹰9号着陆时未能在甲板上站稳,最终导致倾覆爆炸。

2015年6月28日,猎鹰9号遭遇发射失败,火箭和其运输的飞船在高空爆炸解体。

“和海上回收相比,陆地回收火箭相对对天气和场地要求要宽松,而且手段可以更多,技术相对容易实现。但与在陆地平台回收相比,海上回收成本更低,也正因如此,美国太空探索技术公司直接向难度更大的海上回收发起挑战。虽然多次失败,但勇气和胆识令人敬佩。”北华航天工业学院机电工程学院宇航制造系副教授焦满囤介绍,“实际上,简单或容易只是相对来讲,以现有航天技术而言,无论是陆地还是海上回收,都是很大挑战。”

“难题主要有两个。”焦满囤解释,“首先难在控制火箭姿态。要使细长的箭体垂直精确着陆在指定地点很难。在返回过程中,第一级火箭是通过箭上的液氮推力器来调整姿态的,以应对气动扭矩和旋转的影响。要使其几乎没有任何滚转,在降落过程中一直与地面保持垂直状态,有人形容其难度犹如‘在狂风中让扫帚柄直立于手掌上’。第二大难点是火箭发动机要具有推力可调和多次启动的功能来实现软着陆,这也是现有火箭发动机不具备的特性。”

电子控制系统是火箭的大脑,由遍布箭体的各种传感器获取火箭飞行的各种参数,然后通过信息汇总、计算,及时调整飞行方案。接着通过各种控制部件,执行指令。可以想见,这把在狂风中兀自直立的“扫帚”,需要一套多么强大的电子控制系统。

今年3月和4月,美国太空探索技术公司又先后两次尝试海上回收火箭但最终失败。竞争对手“蓝色起源”则在4月2日再次成功回收火箭。

增大推进剂系统冗余、可调节推力和多次启动的火箭发动机、主体火箭与助推火箭交叉供给推进剂、电子控制系统……焦满囤认为,火箭回收要想获得高几率成功,还有待上述技术进一步成熟。

钱能省多少?——“回收火箭第一级最高省8成资金”

在回收火箭前,人类早就造出过可反复使用的航天运载工具——航天飞机。

“美国研制航天飞机的目的之一就是为了降低宇航活动的成本。而航天飞机返回后维修量太大,导致成本大大提高,原本估计每次飞行成本约3000万美元,实际成本却大大超出。”有专家透露,由于系统过于复杂、再利用成本极其高昂,航天飞机被业内认为是一个失败的科研项目,其发射费用达到令人瞠目结舌的15亿美元。

“可回收火箭的成本价格比航天飞机便宜很多。这不仅体现在发射层面,整个综合运行和使用成本都不在一个数量级上。”焦满囤介绍,“无论执行什么任务,航天飞机必须有成员,可回收火箭则可执行无人发射任务。此外,可回收火箭可灵活地根据发射载荷进行调整和改装,而航天飞机则不同,无论你是把一个卫星带上去,还是把一个空间站零件带上去,你花的钱基本是一样多的。不仅如此,可回收式火箭还可以执行密集频次的发射,航天飞机的准备和检查工作则要比火箭繁琐得多,造成发射周期过长。”

理论而言,火箭的发射成本里面,燃料的费用非常低。以猎鹰9号为例,单次发射费用为5400万美元,但燃料费用只有20万美元。“航天发射成本一直居高不下,送1公斤物质上天的成本在1万至2万美元,主要原因就是发射航天器的运载火箭是一次性使用的。”焦满囤介绍,“如果能回收并重复使用第一级,可节省资金80%。如果第二级也能回收并重复使用,发射成本将降至目前的1%。”

但要在未来的实践中大幅降低成本并非这么简单。“回收火箭和重复使用火箭仍有一段路要走。”专家表示,必须研制出类似普通飞机发动机那样可往返天地、重复使用的火箭发动机,降低回收后的维修成本和时间。

“拔下火箭上那些电线束,你会发现它们依然是最初的样子,金属仍然有光泽。脱去发动机附近的热防护系统,我们发现火箭发动机干净得没有一点瑕疵,非常漂亮。”美国太空探索技术公司总裁肖特维尔在“猎鹰9号”成功回收后,对火箭主要部件的可重复使用性充满信心。

影响有多深?——“人类太空探索步伐或将大大加快”

“重复使用将是未来运载火箭发展的必然趋势,无论在商业上还是在军事上都有巨大价值。但单纯就火箭回收技术而言,毫无疑问在民用航天领域更有用武之地。”焦满囤认为,这一技术的成熟和普及将改写现有的全球航天市场。

美国太空探索公司表示,该公司今年一共有18次发射,其中11月将首次发射重型猎鹰运载火箭,这一火箭可将53吨重的载荷送往低地球轨道。一旦发射成功,它将成为全世界在役的运载能力最强的火箭。

“航天器材‘定制’的运作模式也在这一轮轮降低成本的实验中改写。”焦满囤介绍,传统航天业往往采用研发模式,每一枚火箭都需要设计、生产、测试,环节复杂,成本高昂。SpaceX则开启了流水线化的生产模式,只要一次成功,便可次次成功。通过类似电视、洗衣机一样的规模生产,大幅度降低成本。

低成本和大运力,将成为决胜未来火箭发射市场的关键因素。美国航天基金会2015年发布的统计数据显示,在2010年至2014年间,全球航天业保持每年6%到7%的稳定增长,其经济总量达到3300亿美元,其中约76%来自商业航天领域。商业航天正成为带动全球航天经济发展的引擎。

有专家表示,如同航海一样,航天时代也即将迈入新的时代,航天正从国之重器、国之大业,慢慢走向商业化和大众化。航海普及耗时几百年,但从目前趋势看来,航天普及要走的路,将短得多。

“从长远看,可重复使用的火箭能够降低相关机构进入空间的门槛,还能使人类探访甚至移居其他星球的梦想成真,大大加速人类进入太空的步伐。”焦满囤认为,对于中国航天技术研究而言,也应从中获得启发,积极引入市场力量,发挥众创活力,书写属于自己的航天新纪元。

《人民周刊》2016年5月第9期 目录

上一篇回2016年5月第9期目录 下一篇 (方向键翻页,回车键返回目录)加入书签

© 2016 毕业论文网 > 可回收火箭:打造航天“经济舱”