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近日,长征十号乙运载火箭在海南商业航天发射场发射升空,将卫星顺利送入预定轨道,火箭一二级分离约6分钟后,一子级垂直返回,在海上回收平台通过网系捕获方式成功回收,发射及一子级回收任务取得圆满成功。

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此次任务是我国首次成功实施运载火箭一子级可控回收,同时也是全球首次运载火箭网系回收,标志着我国在重复使用火箭技术领域取得历史性突破,将为加快提升我国进出空间能力奠定坚实基础。长征十号乙运载火箭成为我国首型成功实施回收的重复使用运载火箭,中国由此成为继美国之后第二个掌握大运力可回收火箭技术的国家。

区别于发射后完全损毁的一次性火箭,可重复使用运载火箭完成发射入轨任务后,箭体分段(主流为一子级 / 助推器,远期目标全箭)受控返回地面,经检修、加注推进剂后再次执行发射任务,核心目标是砍掉箭体制造成本、压缩单次发射总价,实现航天航班化运营。

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随着可重复使用运载火箭技术的发展,国际上出现了多种回收模式。比如,早期采用的伞降回收,在火箭子级加装机翼或翼伞,让它能像飞机降落一样水平回收。国外甚至还尝试过用直升机在空中捕获回收,不过该技术路线后来被放弃。

目前,世界上主流的火箭回收方案主要是垂直起降着陆腿式和空中机械臂捕获式。使用前者方案的主要有美国Space X猎鹰9,国内的朱雀三号和长征8号R。这种方案,火箭增加了栅格舵、箭底配备缓冲着陆腿落地支撑;栅格舵在再入阶段展开,精准把控姿态与落点;着陆支腿在触地前展开,实现平稳软着陆;技术成熟、周转快,缺点是着陆腿带来死重,运载能力折损约30%。猎鹰 9 已完成数百次回收,单箭最高复用35次。

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后者主要用于星舰 Mechazilla,超重型助推器返回至发射塔附近低空,塔架巨型机械臂直接夹持箭体,无需着陆缓冲结构;理论无死重、可实现每日多次发射,目前仍处于验证阶段,对制导精度要求厘米级。

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火箭若以着陆腿式垂直动力回收方式着陆,需要以接近零的速度和垂直姿态到达着陆平面,才能保证回收的成功。这样严格的火箭着陆状态偏差限制需要箭上的软硬件技术来支持,对于火箭发动机的调节能力和多次启动能力要求很高。

而这次长征十号乙火箭网系回收技术是我国在开展高频次高可靠、低成本发射技术探索出的创新技术途径。基本原理就是:通过地面网系回收装置和箭上挂索机构的箭地协同机制,地面拦阻索主动跟随火箭使箭上挂索机构挂上拦阻索,实现对非理想着陆状态下火箭的回收捕获,降低对火箭发动机和制导控制系统的精度依赖性。

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相比当前主流回收方案,网系回收是一种思路的转换,将着陆的难度转移到地面,利用地面回收着陆装置回收火箭。这种方案对火箭的着陆指标更为友好,这主要得益于火箭入网接驳时,大多动能、势能均被地面缓冲机构吸收,使得对箭上缓冲结构的设计要求大幅降低。 针对火箭落点偏差,回收系统可以通过简单高效地调整地面设备尺寸规模提高适应能力,这同时也能降低对火箭发动机推力调节能力的要求。

同时,由于省去了约2吨的着陆腿和缓冲机构,效率降低了结构质量,提升了火箭的运载效率。

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长征十号乙火箭配合海上平台“领航者”这次精彩的演出,共同在海上构建了一个稳定、可靠、精准的火箭回收系统。标志着我国火箭回收技术从追赶到领先的历史性跨越,更重要的是随着火箭回收技术的逐渐成熟,成本也会随之大幅下降,商业航天商业化的拐点可能快要来了。