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历史性一落!我国首次实现大型火箭一级回收

长征十号乙火箭首飞成功,芯一级在430公里外垂直下降,被南海上“领航者”号平台网系捕获,实现我国首次大型火箭一级回收,也是世界首次网接火箭。该技术可降低发射成本、提升频率,为载人登月和卫星互联网建设奠定基础。

北京时间今天中午12时15分,长征十号乙在海南商业航天发射场2号工位点火升空。这枚我国新一代大型液体火箭,成功将有效载荷送入预定轨道,首飞告捷。但真正让人眼睛一亮的,是芯一级回收试验——它飞出去430公里,又飞回来了,垂直下降,稳稳落进南海上“领航者”号平台张开的巨网里。

长征十号乙点火升空

这张网高36米,架在一艘满载排水量2.5万吨的大船上,专门用来接火箭。这一接,创下两项纪录:我国成为继美国之后,第二个完成大型液体运载火箭芯一级回收飞行验证的国家;而用网接住火箭,全世界都是头一回。



长征十号乙芯一级网系捕获


长征十号乙芯一级网系捕获的拟人画像

火箭为什么要回收?

最直接的原因是省钱。打个比方:一架飞机从北京飞到上海,落地后加油、检查,接着就能飞下一趟。传统火箭不行,用一次就没了。一级把载荷推上天,任务完成就坠落报废,下次发射得重新造一枚。这就像每飞一趟就扔掉一架飞机,成本可想而知。偏偏一级还是整枚火箭上最贵的部分——块头最大,发动机最多,技术也最复杂。要是能把它收回来,检修后接着用,飞上几次、十几次,平摊到每次发射的成本就能大幅下降。

省钱之外,还有一层好处:快。造一枚大火箭往往以月甚至年计。一次性使用,意味着造好一枚才能发一枚,发射节奏被生产速度死死卡住。要是收回来还能接着用,节奏就能提起来。这条路已经有人走通了——美国SpaceX的猎鹰9号靠着一级反复复用,把发射频率做到了一年100多次。所以这些年,可重复使用成了全球火箭研发的大方向。目标一致,路子却不止一条。

为什么网系回收?

目前国际上最主流的回收方案,以猎鹰9号为代表,是让火箭自己落回来“站”着。一级在返回途中展开四条大型液压着陆腿,最后以垂直姿态降落在陆地或海上回收平台。


猎鹰9号火箭芯一级着陆在海上回收平台

这套方案已经非常成熟,但有个绕不开的代价:四条大型着陆腿,加上配套的复杂缓冲装置,大幅增加了火箭的自身重量。火箭从点火那一刻起就得驮着它们飞,直到落地前几秒才派上用场。驮着它们的每一秒,都在白白消耗运力。腿造得越结实,能带的货就越少。


猎鹰9号着陆腿

长征十号乙走的是另一条路。它返回的前大半段,和其他可回收火箭没有本质区别。一二级分离后,芯一级展开栅格舵——装在箭体上的格子状小翅膀,专门在大气层里控制飞行姿态——发动机再次点火反推减速,朝着南海上等候的“领航者”号飞去。领航者号也没闲着,靠动力定位系统顶住风浪,把自己稳稳定在预定海域。

真正的不同在最后一步。猎鹰9号这时候要放腿准备着陆,长征十号乙不用。它飞到平台上方,把水平速度减到零,然后垂直下降。平台上,绳网围拢成一个“井”字,箭体上伸出的拦阻杆一搭上网,绳网和缓冲装置便层层卸力,把火箭的下坠速度一点点消掉,最后稳稳兜住。


火箭网系回收系统示意图

这个过程很像舰载机着舰。战斗机在航母上降落,靠尾钩挂住甲板上的阻拦索,硬生生被拽停。长征十号乙也是被“拦”下来的,区别是舰载机横着冲过来,它竖着落下去。这样一来,着陆装置的重量就从火箭身上转移到了平台上。火箭只留几根轻量化的拦阻杆,省下的重量都可以让给有效载荷。

为什么首飞就成功?

一枚头一次上天的火箭,不光顺利入了轨,还完成了全世界没人做成过的网系回收。这靠的,不是运气好。在今天之前,这套动作里的每一环,几乎都单独排练过。

早在地面阶段,一级的七台发动机就做过两次系留点火试验:火箭被固定在发射工位上,只点火、不起飞,专门考核七台发动机同时开机时近千吨推力下的表现,连返回减速时的二次点火都在地面预演过。更关键的一次排练,在今年2月11日。我国在文昌航天发射场实施了长征十号运载火箭系统低空演示验证(梦舟载人飞船系统最大动压逃逸飞行试验),这是长征十号系列火箭第一次以初样状态飞行。


今年2月实施的长征十号低空演示验证与梦舟飞船最大动压逃逸飞行试验

那次试验里,火箭一级飞到约105公里的高空后返回,一路调姿、减速,在距离海面只有5米的地方近乎悬停,随后发动机关机,箭体垂直落入预定海域,溅落点就在前来配合演练的领航者号附近。那是我国火箭一级箭体第一次海上溅落。

换句话说,除了最后“上网”那一下,整套回收流程在2月就已经完整走通了:发动机在返回途中多次重新点火,靠不靠得住?箭体扛不扛得住返回时的高温和冲击?导航控制能不能把箭体准确送到船边?这些问题,那次试验都给出了肯定的答案。


初样火箭飞行溅落在回收船附近

所以,与其说长征十号乙是首飞即成功,不如说它是把一场排练了无数遍的演出搬上了正式舞台,只补上了最后一个动作:落网。

对未来意味着什么?

这次成功,首先受益的是我国的载人登月工程。


我国计划将在2030年前实现载人登月

长征十号乙不是一款单打独斗的火箭,它背后是整个长征十号系列,而这个系列担负的正是2030年前送中国人上月球的任务。作为家族中第一个上天的成员,长征十号乙今天验证的发动机多次点火、返回飞行控制这些关键技术,都会变成整个系列共用的家底,为长征十号系列后续型号研制积累关键技术和工程经验。

另一头受益的,是正在加紧建设的卫星互联网。


我国低轨卫星互联网正在加速建设

国网、千帆等我国低轨星座即将进入大规模组网阶段。这类星座动辄规划上万颗卫星,要把它们送上天,靠的正是前文说到的两点:低成本,高频次。长征十号乙在回收状态下的近地轨道运力不小于16吨,等它今后实现稳定复用,发射成本将进一步降低,正好可以承接星座组网的发射需求。


正在静态点火试验中的朱雀三号Y2火箭一级,火箭将在近期发射并试验回收

而且,长征十号乙只是打了个头阵。国内还有多款可重复使用火箭已经排上日程,朱雀三号等型号的飞行回收试验也将陆续展开。可以想见,火箭落地、检修、再出发,未来会一步步变成中国航天的日常。今天被大网接住的,是一枚火箭的第一次归来。往后,归来会成为常态,出发也是。




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