升空後“倒車入庫”,我國首次完成液體火箭公里級垂直起降試驗

2022年05月12日20:04

今年5月份,由深藍航天公司自主研發的“星雲-M”1號試驗箭完成了1公里級垂直起飛及降落(VTVL)飛行試驗。在發射場地,點火升空的火箭,從地面上升一公里後,開始返回著陸。

如同“倒車入庫”一般,爬升的火箭最後降落至離著陸場“靶心”位置不足0.5米的點位。“星雲-M”試驗箭的成功回收,標誌著我國首次完成液體火箭公里級VTVL垂直回收飛行試驗。

“星雲-M”1號試驗箭成功發射升空。受訪者供圖
“星雲-M”1號試驗箭成功發射升空。受訪者供圖

可回收複用是為了大幅降低入軌發射成本

在完成1公里級的VTVL垂直回收飛行試驗前,“星雲-M”試驗箭曾在去年7月至10月期間,先後完成了十米級、百米級VTVL垂直回收飛行試驗,從而實現了國內液氧煤油火箭垂直回收兩次“零的突破”。

7個月後,一項新的挑戰擺在研發人員的面前:液氧煤油火箭要突破公里級垂直起降。火箭發射當天,在陝西銅川火箭發射試驗基地,此前擁有兩次成功經驗的深藍航天火箭總體部技術工程師鄭澤,再一次和試驗隊員見證了這個激動人心的時刻。

為什麼要研發可回收複用的火箭?鄭澤告訴新京報記者,其主要原因在於要大幅降低入軌火箭的生產和發射成本。只有降低成本,才能更遊刃有餘地實現成千上萬顆“星鏈”衛星的組網任務,未來大型衛星星座的發射需求與可回收火箭的運載成本是息息相關的。

“我們要是把發射升空的火箭完美地收回來,進行簡單的維護和處理後,再重複發射,這樣就降低了成本。如果回收一次後再次發射,該成本就會折扣一半。以此類推,如果我們的火箭可以重複使用10次以上,那麼它的成本就能降低一個數量級。”鄭澤說。

在提供發射服務的功能上,可回收複用火箭和一次性運載火箭沒有太大差別,都是將飛行器發射到指定的軌道上。其主要區別在於前者可以重複利用,進行多次發射,而後者不可回收。

記者瞭解到,本次飛行試驗中,在實現全箭垂直回收的前提下,再次執行飛行任務的成本僅為箭體生產製造成本的約1%,其中包括一些損耗件的更換、全箭的測試維護費用、推進劑費用等。

鄭澤稱,當火箭變成了一種可重複使用的交通運輸工具後,將大幅降低參與航天事業的資金門檻,會讓更多的企業或者是個人參與其中,為中國邁向太空強國貢獻力量。

液體火箭具備推力可調功能

相對於一次性的運載火箭,可回收複用火箭面臨的技術難點之一,就是要攻克在較大範圍內實現靈活調節推力的發動機技術。

“在以前,火箭的發動機是不變推力的,一個推力從頭飛到尾。但是我們現在需要去回收這個火箭,那差別就很大。”鄭澤解釋道,這也是固體火箭和液體火箭的不同,固體火箭發動機不具備推力調節的功能,點火升空後,燃料要一直耗完才關機,但液體火箭推力可以進行調節,發動機也具備先關機再二次點火的功能,這為火箭的回收提供了硬件基礎。

點火升空的“星雲-M”1號試驗箭。受訪者供圖
點火升空的“星雲-M”1號試驗箭。受訪者供圖

裝滿燃料的火箭,當燃料消耗完後,其箭體質量會變得很輕,若按照以前“推力不變”的發動機技術,火箭很難落地。所以這就需要發動機能夠進行大範圍的推力調節,來保障火箭平穩落地。

據介紹,在此次公里級垂直起飛及降落(VTVL)飛行試驗上,試驗隊員們將發動機推力的調節範圍設置在50%至110%之間,通過操作可以大範圍調節推力,實現火箭平穩落地和安全回收。

除了發動機的推力以外,返回著陸的橫向製導控製技術也是需要攻克的難點。讓火箭精準落到指定的著陸場,也不容易。“在回收降落過程中,會有橫移這個動作,就是為了精確移到指定的著陸場,要是移到別的地方,那就算回收失敗。”

鄭澤告訴記者,此次公里級試驗,在垂直起飛-垂直著陸的飛行過程中,首次加入橫向製導算法,預先裝訂目標點坐標,通過箭上計算機進行計算和規劃,發出橫向製導指令,導引火箭向目標點坐標進行橫移,最終精確落在回收著陸場內。

此外,此次公里級VTVL垂直回收飛行試驗中,火箭飛行速度達到0.2Ma,飛行高度達到1公里,這也是目前國內開展的飛行高度最高、飛行速度最快、飛行時間最長的垂直回收飛行試驗。

將進行與入軌火箭尺寸相同的高空回收試驗

值得注意的是,在商業航天領域,這次成功測試也使深藍航天成為繼SpaceX後第二家完成液氧煤油火箭垂直回收複用全部低空工程試驗的公司。

但鄭澤也坦言,目前在入軌可回收火箭層面,我們與美國SpaceX相比,還有很大的差距。

公開數據顯示,截至2022年5月初,SpaceX已經成功進行了118次火箭著陸,並接連打破自己創造的回收紀錄。其中B1051號助推器在2022年3月19日成功發射48顆星鏈衛星並安全返回,成為首枚被回收12次的火箭助推器。

“像SpaceX做回收試驗也經曆了一個容錯過程,失敗的案例數不勝數,最少在10次以上。”鄭澤提到,網上專門有一個關於SpaceX進行回收試驗時火箭落地炸燬的集錦視頻,其記錄了回收過程中各式各樣的火箭炸燬過程。

他透露,下一階段,深藍航天將採用與入軌火箭完全相同的全尺寸試驗火箭,繼續進行高空回收試驗階段(類似於SpaceX第二階段採用全尺寸樣機“獵鷹9號R”進行回收測試),向著10km、100km的高度快速突破邁進,力求最終實現入軌火箭一子級的可控回收和重複使用。

新京報記者 張建林

編輯 陳靜 校對 吳興發

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