7月10日,长征十号乙运载火箭首次开展可回收试验,取得了圆满成功,更值得注意的是,这次试验采用的火箭网系回收方案,是全球范围内的首次成功实践。
要知道,在此之前,全球能真正实现火箭可回收复用、并且落地商业化应用的,基本上只有美国的SpaceX一家。
但这次长征十号乙的试验告诉我们,火箭回收的技术路径,远不止已经被验证的那两种。
这套全球首创的网系回收,到底是怎么运转的?和美国现有的技术比起来,又有哪些不一样的考量?
说起网系回收,不少人第一反应可能会联想到航母甲板上的拦阻索。
没错,这套回收技术的底层逻辑,和舰载机降落拦阻有相似的思路,但实际落地的难度,要比舰载机拦阻高出好几个量级。
整个回收系统的核心海上平台,是一艘名为“领航者号”的大型工程船。
它的满载排水量超过2.5万吨,体量差不多和一艘轻型航母相当。
之所以要用这么大的船,主要有两方面的原因:一是大吨位的船只有更好的抗浪性,能在海上尽量保持平台稳定,给回收提供相对平稳的基础;二是整套网系回收设备的体积和重量都不小,需要足够的甲板空间和承重能力来安装部署。
回收平台的核心结构,是四根横向布置的特种拦阻索,它们共同组成了一道柔性的拦截界面。
对应的,火箭的回收舱段会提前安装专用的挂钩结构。
整个回收过程的逻辑并不复杂:火箭一级完成发射任务后,从太空返回大气层,通过反推发动机持续减速,同时不断调整自身的飞行姿态,精准朝着海上的回收船方向下降。
当火箭接近甲板高度时,箭体上的挂钩会自动挂住拦阻索,四根拦阻索同时承接冲击力,以柔性缓冲的方式逐步卸力,最终把数百吨重的火箭稳稳停在回收平台上。
听起来原理不算复杂,但真要把这套系统从图纸变成现实,要闯的技术难关可不少。
要知道,让几百吨重的火箭从几十公里的高空下降,最终精准挂上甲板上的拦阻索,位置差个几米可能就会挂空,角度偏一点,挂钩可能就会撞在索体上弹开。
举个简单的例子,这就好比站在几十层的高楼上,往楼下一辆缓慢晃动的小车上扔一根细针,要刚好穿进车上的针眼里。
更何况火箭不是一根针,是数百吨的庞然大物,下降过程中还会受到高空风切变、近地气流的干扰,难度可想而知。
这背后,既需要强大的远程测控系统,实时追踪火箭的位置、速度和姿态,毫秒级地发出调整指令;也需要火箭本身的反推动力系统足够可靠,能根据指令精准调节推力大小和方向,精细控制下降的速度与姿态。
甚至可以说,没有足够深厚的飞行控制和测控技术积累,根本连开展试验的基础都没有。
再加上,长征十号乙的起飞重量达到750吨,即便是回收的一级舱段,也有数百吨的重量。
当火箭以一定速度接触拦阻索的瞬间,索体要在极短时间内承受住巨大的瞬时拉力,既要保证自身不会断裂,还要控制拉力的增长速度,不能因为硬拽损坏火箭的箭体结构。
同时还要实现柔性缓冲的效果,不是硬生生拽停,而是逐步释放能量,这对索体的材料配方、结构编织设计,都提出了极高的要求。
而且,大海上的环境从来都不是静止的,就算是几万吨的大船,遇到普通风浪也会出现上下起伏、左右摇晃的情况。
这种动态环境下,要保证火箭能精准对准拦阻索,难上加难。
也正是因为这重重难关摆在前面,过去这么多年才没有哪个国家真正落地这套回收方案。
而我们这次首次试验就取得成功,背后是无数技术人员的反复推演、地面测试和技术积累,也是中国航天工业整体实力的一次集中体现。
不过,在此之前,美国SpaceX的回收技术已经发展了十几年,成熟度也很高,我们为什么不直接借鉴他们的路线,反而要费这么大劲开辟一条全新的技术路径?
而这个问题,恰恰是这次试验最值得琢磨的地方。
到目前为止,SpaceX主要落地了两种成熟的火箭回收方案。
第一种是猎鹰九号采用的原地陆地回收方案。
简单来说,就是火箭一级完成助推任务后,调转飞行方向,通过反推发动机飞回发射场附近的固定着陆平台,然后展开着陆腿,像直升机一样垂直降落在地面上,靠着陆腿的支撑和发动机的反推实现最终刹停。
这套方案是全球第一个实现商业化复用的火箭回收技术,发展到今天,猎鹰九号的单枚火箭复用次数越来越高,单次发射成本也确实降了下来,是已经被市场验证过的可行路线。
但这套技术的短板也非常突出,就是风险偏高,容错率太低。
第二种就是星舰采用的“筷子夹火箭”技术,也就是发射塔机械臂捕获方案。
巨大的发射塔上安装着两个形似筷子的大型机械臂,火箭返回的时候,不需要展开着陆腿,直接由机械臂夹住箭体,完成整个回收过程。
从技术理念上来说,这套方案确实非常超前,省去了着陆腿的结构重量,理论上能进一步提高火箭的运载效率。
但它的容错率问题,其实比陆地垂直回收还要突出。
机械臂的捕获窗口非常短,火箭下降的速度、位置、角度,必须和机械臂的动作完全匹配,差零点几秒,或者位置偏个一两米,要么是火箭撞坏机械臂和发射塔,要么是直接砸在发射台上,后果都非常严重。
说白了,这两种技术路线,走的都是“精准对位、硬接触回收”的路子,对控制精度的要求已经到了近乎苛刻的地步。
如果只是执行无人货运任务,就算失败了,损失的也只是火箭硬件。
可一旦要用于载人航天飞行,这种级别的容错率就意味着,一次失误就可能是箭毁人亡的悲剧,安全冗余远远达不到载人的高标准。
而我们选择的网系回收路线,恰恰是从另一个角度切入,用“柔性拦截、多冗余设计”的思路,来解决容错率这个核心痛点。
毕竟,回收火箭的核心目标是什么?是让火箭安全返回地面,实现重复使用。
至于它是自己站着落地的,还是被机械臂夹住的,或是被拦阻索拦住停下来的,本质上并没有高低之分。
只要能安全回收、成本可控、可靠性够高,就是适合商业化推广的好方案。
另外,海上回收的模式,本身就比陆地回收的安全边界更高。
换句话说,长征十号乙这次网系回收试验的成功,是中国商业航天发展路上的一个重要里程碑。
未来,全球商业航天的技术格局,从过去的一家独大,慢慢变成多路线并行发展的局面。
而中国航天,正在用自己的节奏,一步步走出属于自己的发展道路。
未来的中国商业航天,必然会给我们带来更多的惊喜。