中国运载火箭“降本增效”可回收在行动

  中国商业航天蒸蒸日上的势头也许比预想中发展得更快。12月10日17时07分，星际荣耀的双曲线二号可重复使用液氧甲烷验证火箭“二飞”试验成功，实现了国内首次可回收火箭的复用飞行。12月9日消息，另一家民营航企蓝箭航天发布了我国首款可重复使用液氧甲烷不锈钢火箭——朱雀三号，子级预计能够回收利用20次。可回收复用火箭“降本增效”有哪些颠覆性的思路？

  太空运载火箭稳稳的直立降落在地面，完好无损完成垂直回收。在十年前，这是一个只能在电影中看到的画面。

  “高成本”是挡在整个世界的太空经济面前的一块巨石，降本增效是商业航天发展的必由之路。

  资料显示，运载火箭每次发射需要消耗大量的燃料，就算使用最好的火箭，每入轨不到2吨的有效载荷都需要损失剩余超过98吨的质量（包含燃料和火箭）。

  燃料只是标准化的化工产品，价格远低于火箭。火箭在制作的完整过程中，需要大量使用高科技材料，消耗了绝大部分的发射成本：以“土星五号”为例，建造一枚的价格相当于当时美国一艘核动力航母，倘若不是政治原因，这样的项目绝对不可持续。

  上世纪八十年代起，人类通过航天飞机开始做降本尝试，但发射过程中的助推火箭价格依旧高昂；其次是通过大量生产成熟火箭，形成“货架产品”以减少相关成本，不能从根本上改变火箭高成本的唯有回收利用。

  提到可回收火箭，就绕不开作为先驱者SpaceX“星舰”，在2021年，我国的火箭发射量曾经超过美国，但美国在2022年实现了对我国的反超，主要因为SpaceX一家的火箭发射量近乎与中国航天持平（61次对比64次），这一套互联网思维的“组合拳”彻底颠覆了行业。

  由于不锈钢加工的便捷性，让“星舰”原型箭体的制造十分迅速，加快了技术迭代，同时这也成为了最新上市的特斯拉电动皮卡Cybertruck的同款材料。

  “星舰”最核心的降本措施在于它的大规模并联发动机设计，“星舰”一级采用了33台“猛禽”发动机，“星舰”本体则采用了6台“猛禽”发动机。在发射时，经常会有若干发动机出现失灵，但通过计算机的调整能够及时关掉发动机并利用其他发动机的推力平衡火箭，保持基本的推力。

  “星舰”采用大批量捆绑“猛禽”发动机的最大原因依然是成本，使用相同的发动机有利于实现动力的标准化。

  “猛禽”发动机拥有优秀的设计，赋予了其领先的比冲和压力。SpaceX的哲学在于，在确定了基础设计的具体方案后，大量生产产品能分摊研发成本。目前，“猛禽”产生每千牛推力的成本已经降到一千美元，是人类历史上的新低。产能也足够大，大致为一天一台“猛禽”发动机，相当于一个多月就能组装一台“星舰”。

  液氧甲烷发动机，绝对是目前的热门，液体发动机一度被称作可回收火箭的“心脏”。早在1931年德国就研制了世界上第一台液氧/甲烷(液化天然气，LNG)发动机，二十世纪前期由于液氧和甲烷均为低温推进剂，使用维护性不如液氧/煤油；同时比冲（火箭引擎燃料效率利用）又比液氧/液氢低，因此在此后的几十年间没有研制出投入到正常的使用中的液氧/甲烷发动机。

  随着各国开始重视航天运载器的无毒化和重复使用，液氧/甲烷组合价格低、无毒环保、密度比冲高、冷却性能好、沸点相近、燃烧时积碳少，整体性能介于液氧/液氢和液氧/煤油之间，具有二者的优点，更加适宜于重复使用和长期在轨的航天器，受到了各国的关注，并进行了大量研究。

  密度比冲对于运载火箭大推力下面级发动机是关键内因，液氧/甲烷低于液氧/煤油，高于液氧/液氢。推力室的冷却设计是制约液体火箭发动机研制的重要的因素，甲烷比热容高、结焦极限温度近1000℃、粘度小，是良好的冷却剂，适合于推力室尤其是重复使用的推力室。

  由于液氧和甲烷沸点分别为90K和112K,接近空间温度，便于空间长期贮存，同时贮箱间无需特殊的绝热结构，而液氧/液氢方案存储温差较大，液氧/煤油方案则容易结焦，不利于复用；剩余的燃料方案受到燃料本身化学性质限制，有比冲不高、剧毒的劣势，因此液氧/甲烷发动机是未来无毒空间飞行器较好的动力选择。

  作为世界首个成功入轨的液氧/甲烷火箭，搭载卫星的“朱雀二号”复飞成功。它采用了统一的80吨级液氧/甲烷发动机，填补了国际液体火箭型谱的空白，并表明了我国已经基本掌握了轻型火箭的液氧/甲烷发动机设计。此外，火箭的一二级采用了同样的发动机，实现了动力的标准化。

  凭借在发动机研制过程中突破的关键技术，我国目前正在开展类似于“猛禽”发动机的200吨级全流量补燃循环液氧甲烷发动机(YF-215)研制工作，并已经在今年五月完成了初次点火试车，为未来的超重型火箭创造基础。

  相对于仅需向上的单次火箭发射而言，火箭落地的过程显然复杂得多，对火箭本身结构的考验也更复杂。偏转和落地对于火箭内部相对脆弱管线的冲击不可忽视，有可能造成火箭爆炸。可回收火箭的技术难点在于完善火箭回收的姿态操控方法以及内部复杂的管线设计，而这需要大量的试错，没有捷径可走。

  按照主流观点，可回收火箭的寿命至少应该超过20次已成为标配，并可视状态决定是不是延寿。火箭回收技术能让火箭发射成本降低两个数量级，最终使得火箭箭体的使用成本无限接近火箭燃料。

  从回收比例来看，可回收火箭可分为部分完全可回收火箭和完全可回收火箭，前者主要回收第一级火箭。SpaceX在完成回收第一级火箭后，将发射成本降到了两千美元左右。

  “双曲线二号”在设计时，它已最大限度地考虑了复用需求，支撑高质量“软着陆”的反推动力是可完整复用、精准控制推力的液氧/甲烷发动机。该火箭一二级的发动机可通用，第一级可重复使用30次以上，能为火箭节省70%以上的制造成本。

  “双曲线二号”的回收过程主要是基于对火箭姿态的精准把控：在火箭到达最高点后，发动机熄火，然后利用重力降速为零，在距离地面一定高度时，发动机再次点燃调整偏转角度，并依靠发动机的反推降低下降速度进行高精度软着陆，最终直立在地面上。

  实现垂直回收与安全着陆的关键就在于采用了栅格舵控制，60年代末苏联科学家最早开始把栅格舵气动控制技术逐步应用到导弹设计上。火箭在大气层内下降再入段飞行过程中，初始速度高，越往下飞行大气越稠密，动压也慢慢变得大，由此带来的气动干扰和气动加热就变得非常严重。栅格舵实现了大气层内全程控制，包括上升段的全速域精确控制和高马赫数再入落点控制。

  长征系列运载火箭曾因其低发射成本而名声远播，但由于其是一次性火箭，循环利用箭体的思想也影响着中国“国家队”的火箭设计。

  “长征九号”是我国正在研发的超重型火箭，从2011年到2022年，捆绑式到光杆版设计的具体方案至少变了三次。根据龙乐豪院士和余梦伦院士的最新演讲，新版“长征九号”总体构型已确定采用光杆无助推方案，并提出了火箭第一级可回收设想。

  在2022年珠海航展的光杆版长征九号模型上，它的一级已经装上了回收用俄格栅舵，这是复用火箭的重要标志之一。原始设计中火箭的一二级均为液氧/煤油发动机，设计中并未包含可回收、动力标准化等要求。未来长征九号将成为一款部分回收火箭。

  为此长征九号的发动机也做了调整，火箭第一级改为了并联30台200吨级液氧/甲烷发动机YF-215，最大起飞推力约为6118吨，并能允许最多6台发动机关闭，彻底转为了并联大量较小发动机的道路；第二级也并联了2台同款液氧/甲烷发动机，完成了动力的标准化。从时间上看，这样的转变多少是受到了“星舰”思维的影响。

  结语：可回收火箭已成为太空工业化的大势所趋，目前，我国商业可回收火箭才刚起步，仅在概念上做了诸多技术储备和验证试验，下一阶段必将集中发力，以更快的速度推进技术发展，为人类的“航天活动自由”贡献中国力量。

  [1] 环球时报. SpaceX“星舰”再次爆炸，距离成功还有多远？2023-11

  [3]航空知识. 传奇的SpaceX新一代猛禽发动机，会是目前最强的火箭发动机吗？2021-11

  [4]新华网. 全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭——朱雀二号有何新特点？2023-7

  [5]国家航天局. 星际荣耀双曲线二号验证火箭飞行任务取得圆满成功.2023-11