【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 高天偉】
2024年6月23日,由我國航天科技集團八院研制的重復使用運載火箭新技術驗證箭,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功進行了10公里級飛行試驗。
試驗中,火箭由3臺變推液氧甲烷發(fā)動機推動,上升至約12公里高度,關閉兩側(cè)發(fā)動機,中心發(fā)動機調(diào)節(jié)推力,火箭受控下降,在距離地面50米處,四條著陸腿展開,隨后火箭緩速下降,高度趨近于零,穩(wěn)穩(wěn)落在回收場坪,實現(xiàn)定點垂直軟著陸,試驗取得圓滿成功!航天科技集團評價本次試驗“為2025年如期實現(xiàn)4米級重復使用運載火箭首飛奠定了技術基礎。”
我們?yōu)槭裁匆l(fā)展可重復使用運載火箭的驗證箭?我國什么時候能出現(xiàn)類似美國獵鷹9號的“完全體”可回收復用火箭?行業(yè)競爭與合作格局如何?這篇文章就來簡要探討下。
早在上世紀六十年代初期,包括錢學森在內(nèi)的航天科學家就已經(jīng)通過嚴密論證,指出火箭回收復用可以極大提高周轉(zhuǎn)效率、降低成本。但由于計算能力、材料、氣動、控制、工藝乃至決策、管理等相關領域發(fā)展暫未達到理想水平,工程實踐并非一帆風順。例如上世紀70年代美國研制的航天飛機,設計上僅外部主燃料箱為一次性產(chǎn)品、不拋棄任何發(fā)動機,其復用程度在已經(jīng)實現(xiàn)入軌的航天器當中,至今無人能出其右,但由于研制方嚴重低估了產(chǎn)品綜合成本,項目入不敷出,最終航天飛機于2011年在剩余大量理論壽命的情況下退役。
2010年之后,火箭回收復用技術終于取得實用性突破。例如美國SpaceX主力載具獵鷹9號火箭,其一級在完成任務后,可以調(diào)整姿態(tài)并數(shù)次點火,以垂直姿態(tài)在陸地或者拖船上著陸,并經(jīng)檢修后復用。截至目前,單個箭體已經(jīng)創(chuàng)造飛行21次記錄。SpaceX憑借僅僅十余枚一級箭體,在2023年進行了96次入軌發(fā)射,遠遠超過全球任何其它國家或者商業(yè)航天實體;而運力近20噸的單箭報價降低至5000余萬美元,幾乎全球最低。除了SpaceX以外,美國藍色起源公司也實現(xiàn)了飛行高度100公里的箭體復用,用于服務新謝潑德號亞軌道載人飛船。
箭體垂直回收是控制、結構、動力、氣動、導航、通信等不同專業(yè)深度融合、密切關聯(lián)、牽一發(fā)而動全身的技術,且最近10年才得到全面發(fā)展,全球技術積累較少。為了以較低成本、從易到難、由主到次地驗證相關設計,SpaceX于2012年首飛了名為“蚱蜢”的垂直起降驗證箭,由燃料貯箱、1臺獵鷹9號火箭使用的梅林1D發(fā)動機以及固定式著陸支腿組成。
2012年至2013年在新墨西哥州試驗場,該箭先后進行了8次成功的垂直起降試驗,飛行高度從1.8米逐漸遞增至744米。隨后,SpaceX又研制了換用真實箭體、發(fā)動機增加到3臺并改用可收放式著陸支腿的獵鷹9R Dev1驗證箭,并于2014年進行了4次試飛。受益于這些前期測試, SpaceX終于在2015年12月21日首次成功回收一級箭體。
參考SpaceX的做法,我國企業(yè)也選擇了“由驗證箭起步”的技術路線,并且出手即不凡。以6月23日試驗為例,航天八院產(chǎn)品首飛即跳過“蚱蜢”階段直達獵鷹9R Dev1水平,這也是 “為2025年如期實現(xiàn)4米級重復使用運載火箭首飛奠定了技術基礎”的信心由來。今年內(nèi),試驗箭還計劃開展75公里高度、模擬一級箭體全程飛行的測試,從而完成正式嘗試前的“臨門一腳”。
除了“國家隊”以外,我國民營企業(yè)的進展也堪稱神速。2024年1月19日,藍箭航天的朱雀三號VTVL-1可重復使用垂直起降回收驗證火箭首次試飛即成功完成300米級別飛行,達到SpaceX“蚱蜢”第六次試驗水平(藍箭也計劃于近期開展10公里級別試驗)。
此外,航天科工、翎客航天、深藍航天、星際榮耀等企業(yè)也已經(jīng)開展可回收火箭試驗。百花齊放、百舸爭流。我國可重復使用火箭研制已經(jīng)呈現(xiàn)出起點高、進步快、企業(yè)多樣的特點,為早日投入實用打下了良好基礎,而目前除了中美,尚無其它國家開展過百米級別的火箭垂直起降試驗。技術以外,6月23日的試驗還有一個不可忽略的話題點:“國民合作”。火箭由航天八院抓總研制,而所用的70噸推力液氧甲烷發(fā)動機來自民營企業(yè)九州云箭。
“70噸”處于可復用火箭的理想推力區(qū)間,“液氧甲烷”則是國際公認的未來清潔可復用燃料。航天八院基于性能、時間、價格等因素考慮,選擇了外采關鍵產(chǎn)品,并最終取得良好效果,體現(xiàn)了效率優(yōu)先的商業(yè)航天策略。這種自研與外采相結合的研發(fā)模式,并不符合SpaceX倡導的“生產(chǎn)鏈條自主化”。后者誕生的背景,是馬斯克對生產(chǎn)效率的極致追求與美國傳統(tǒng)航天昂貴、低效生產(chǎn)模式之間的矛盾,只有SpaceX“擼起袖子自己干”方能有效化解。但在我國,經(jīng)過多年競爭迭代,已經(jīng)涌現(xiàn)出一批比較優(yōu)質(zhì)的配套企業(yè)。
以商用可重復使用液體發(fā)動機為例,目前有能力向市場提供推力處于“黃金區(qū)間”(50-100噸)產(chǎn)品的企業(yè),就包括航天科技集團、航天科工集團、藍箭航天、天兵科技、星河動力、九州云箭、星際榮耀等至少7家國企和民企(排名不分先后),覆蓋液氧煤油和液氧甲烷兩條主流路線,且已有成交實踐案例。例如,2023年4月,民營天兵科技研制的天龍二號火箭首飛取得圓滿成功,一舉打破了自SpaceX起全球7家新興航天企業(yè)首發(fā)液體火箭均失利的魔咒,這款火箭所使用的便是由航天科技集團研制的液發(fā)102發(fā)動機;而剛剛過去的6.23試驗,則是“國家隊”首次向民企采購發(fā)動機產(chǎn)品。
自主研制與集成研制成功結合的案例,說明我國商業(yè)航天或許存在有別于馬斯克的其它發(fā)展路徑,即也能像手機、汽車等其它行業(yè)那樣,充分利用國家工業(yè)門類齊全的優(yōu)勢,通過有序分工與協(xié)作,在最大范圍(甚至超出行業(yè))實現(xiàn)供應鏈優(yōu)化、分享發(fā)展成果。畢竟“像馬斯克”不是目的,效率才是。相信隨著行業(yè)深入發(fā)展,我國商業(yè)航天一定會摸索出更適合國情的路線。