記者｜馬悅?cè)?/p>
在火箭回收重復(fù)利用上，中國(guó)又前進(jìn)了一步。
9月13日，西安航天動(dòng)力研究所官微稱，近日，由西安航天動(dòng)力研究所自主研制的某型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)首次實(shí)現(xiàn)重復(fù)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。
該型發(fā)動(dòng)機(jī)作為某飛行器主動(dòng)力裝置參加首飛試驗(yàn)后，經(jīng)檢測(cè)維護(hù)，再次裝配并順利完成了重復(fù)飛行試驗(yàn)。這是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用。
西安航天動(dòng)力研究所成立于1958年4月2日，又名中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第六研究院第十一研究所。該所是中國(guó)航天液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究設(shè)計(jì)中心。
據(jù)西安航天動(dòng)力研究所介紹，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為航天運(yùn)載器的主要?jiǎng)恿ρb置，功能全、性能高、技術(shù)難度大、研制周期長(zhǎng)。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可重復(fù)使用技術(shù)，對(duì)可重復(fù)使用航天運(yùn)載器至關(guān)重要。
其中，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是國(guó)內(nèi)新一代運(yùn)載火箭的主要?jiǎng)恿ρb置，具有高性能、大推力、無(wú)毒無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。
據(jù)央視新聞報(bào)道，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)從一次飛行使用到兩次飛行使用這一小步，為后續(xù)中國(guó)開(kāi)展更大推力可重復(fù)使用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)、探索了道路，標(biāo)志著中國(guó)航天液體動(dòng)力可重復(fù)使用實(shí)現(xiàn)了從零到有的突破。
火箭派聯(lián)合創(chuàng)始人、火箭副總指揮萬(wàn)美對(duì)界面新聞表示，原本火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為一次性使用，重復(fù)利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)可以多次使用，以降低成本、提高運(yùn)力。
“尤其在馬斯克的SpaceX推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外火箭發(fā)射由一次性使用到可重復(fù)利用已成為必然趨勢(shì)?！比f(wàn)美稱。
2015年12月，美國(guó)私營(yíng)航天企業(yè)SpaceX推出的“獵鷹9號(hào)”火箭完成首次回收，之后數(shù)年內(nèi)進(jìn)行了多次重復(fù)發(fā)射。
據(jù)萬(wàn)美介紹，火箭的一級(jí)助推器制造成本占整體火箭制造的70%以上。以SpaceX獵鷹9號(hào)為例，在可重復(fù)使用情況下，整個(gè)一級(jí)火箭回收，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后再次利用至第二發(fā)火箭，大大降低發(fā)射成本。
制造出可重復(fù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，是實(shí)現(xiàn)火箭回收重復(fù)使用必須突破的關(guān)鍵之一。發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭的“心臟”，產(chǎn)生強(qiáng)大動(dòng)力助推運(yùn)載火箭進(jìn)入空間。
西安航天動(dòng)力研究所稱，“十三五”期間，西安航天動(dòng)力研究所預(yù)先開(kāi)展了液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了大量理論和試驗(yàn)研究成果，為液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用奠定了基礎(chǔ)。
據(jù)西安航天動(dòng)力研究所介紹，重復(fù)使用的五大關(guān)鍵技術(shù)分別是多次點(diǎn)火技術(shù)，大范圍變推力技術(shù)，力、熱防護(hù)技術(shù)，重復(fù)使用狀態(tài)評(píng)估技術(shù)以及重復(fù)使用檢測(cè)維護(hù)技術(shù)。
該發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)之初，部組件方案及總體布局按多次工作的要求開(kāi)展論證，所有閥門均為可多次工作的氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)等工作形式，地面研制試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)不下臺(tái)重復(fù)試車8次。
西安航天動(dòng)力研究所所長(zhǎng)張曉軍表示，中國(guó)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)首次重復(fù)飛行成功，標(biāo)志著發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用技術(shù)進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)階段。
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料不同，火箭可分為固體火箭和液體火箭。
液體火箭是指采用液體推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的火箭；固體火箭則采用固體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)。
固體火箭具備大推力、可靠性高、發(fā)射操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但也有比沖小、工作時(shí)間短、推力不易控制和重復(fù)啟動(dòng)困難的缺點(diǎn)。
液體火箭則具備比沖高、推力可調(diào)、可多次啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在成本、燃料消耗和可重復(fù)使用方面都具備優(yōu)勢(shì)，是可回收運(yùn)載火箭的較優(yōu)選擇路徑。
“固體火箭相對(duì)結(jié)構(gòu)和技術(shù)難度更為簡(jiǎn)單，商業(yè)航天公司、初創(chuàng)公司多以固體火箭為起步研制型號(hào)。”萬(wàn)美稱，但固體發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)回收。同時(shí)，固體發(fā)動(dòng)機(jī)危險(xiǎn)性較大，規(guī)?；l(fā)展后面臨成本限制。一旦點(diǎn)火后，固體發(fā)動(dòng)機(jī)難以控制推力，甚至無(wú)法控制啟停。
液體火箭中，除液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)外，還包括液氧液氫和液氧甲烷。
萬(wàn)美表示，液氧液氫由于其技術(shù)難度太高，目前商業(yè)航天鮮有采納，只有國(guó)家隊(duì)作為二級(jí)或更上級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用場(chǎng)景。液氧煤油和液氧甲烷沒(méi)有明顯的優(yōu)劣之分，不同公司和機(jī)構(gòu)選擇不同。
火箭派研發(fā)的火箭選擇的是液氧甲烷。該公司是國(guó)內(nèi)民營(yíng)商業(yè)航天企業(yè)之一，已完成中國(guó)首個(gè)商業(yè)航天生物載荷任務(wù)，計(jì)劃2023年首發(fā)國(guó)內(nèi)首個(gè)星箭一體化液氧甲烷火箭“達(dá)爾文二號(hào)”。
火箭回收方式包括垂直回收、傘降回收和帶翼飛回方式等。其中，垂直回收是目前全球主流方式，即通過(guò)重啟一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以減速并調(diào)整成和地面垂直的姿勢(shì)回到指定地點(diǎn)的回收方式。正是憑借這一技術(shù)，SpaceX實(shí)現(xiàn)最大程度地“降本增效”。
華泰證券研報(bào)指出，目前中國(guó)民營(yíng)航天企業(yè)每公斤發(fā)射成本超過(guò)1.5萬(wàn)美元，是SpaceX獵鷹九號(hào)發(fā)射成本的5倍，實(shí)現(xiàn)一級(jí)火箭回收是降成本的關(guān)鍵。
國(guó)內(nèi)民營(yíng)商業(yè)航天企業(yè)也在積極探索火箭可回收技術(shù)。
2019年，翎客航天完成了可回收火箭RLV-T5的首次自由狀態(tài)下的低空飛行回收試驗(yàn)。
今年5月，星河動(dòng)力航天公司宣布，其自主研發(fā)的“蒼穹”50噸級(jí)可重復(fù)使用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)首次全系統(tǒng)試車獲得成功。
同在5月，深藍(lán)航天自主研發(fā)的“星云-M”1號(hào)試驗(yàn)箭完成了1公里級(jí)垂直起飛及降落(VTVL)飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箭成功回收。
8月，藍(lán)箭航天的天鵲80噸改進(jìn)型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)二次起動(dòng)試車，標(biāo)志著“天鵲”系列液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)已具備可重復(fù)使用能力。
在火箭發(fā)射上，中美呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。中國(guó)火箭發(fā)射任務(wù)仍以“國(guó)家隊(duì)”為主，美國(guó)則以SpaceX為代表的民營(yíng)企業(yè)為主。
華泰證券數(shù)據(jù)顯示，2015-2021年，中國(guó)運(yùn)載火箭商業(yè)發(fā)射次數(shù)共計(jì)84次，其中國(guó)家隊(duì)承擔(dān)發(fā)射任務(wù)77次，占比為91.67%。美國(guó)2020-2021年間共計(jì)95次火箭發(fā)射任務(wù)，均由私營(yíng)企業(yè)完成，其中SpaceX發(fā)射次數(shù)占總發(fā)射次數(shù)的58.95%。
萬(wàn)美認(rèn)為，未來(lái)商業(yè)航天企業(yè)將有更大的動(dòng)力，推動(dòng)火箭可重復(fù)使用。