9月1日,酒泉东风商业航天创新试验区。星河动力航天的智神星一号点火升空,火箭按程序顺利进入预定轨道,发射圆满成功。
这可不是一枚普通火箭。它是星河动力面向大型星座组网市场重点布局的可重复使用液体火箭,未来要扛大梁的。
更让人坐不住的是时间线:不到两个月,中国已经有三款回收火箭相继成功。朱雀三、跃迁一号,现在加上智神星一号,扎堆测试、扎堆突破。商业航天的爆发期,肉眼可见地来了。
但如果你以为"可回收火箭"就是中国航天的终点,那可就太小看人了。往返于天地之间的空天飞机,才是那盘大棋的终极目标。
先说说这次的主角。智神星一号用的是着陆支腿垂直回收方式,跟SpaceX猎鹰九号一个路子。不过这次发射没验证回收,接下来才会开展一子级再入控制、栅格舵工作、制动减速以及海上或陆地定点回收验证。
目前全球火箭回收主流有三种技术:
垂直起飞-垂直着陆,SpaceX带起来的。优点是灵活,地面平台要求低,海上平台稍复杂但也能干。缺点是猎鹰九号一子级超过40米高,四条液压支腿撑住这个细长杆子,横风大一点、海况高一点,落地后侧倾坠毁的事没少发生。有一次明明已经成功落在驳船上了,结果没固定好,四级海况中直接倾覆,白忙一场。
塔架机械捕获回收,星舰玩的"筷子"夹火箭。优点是解决着陆不稳的问题,还省掉着陆支腿减轻重量。缺点是必须返回发射场,返航燃料增加不少。而且万一撞上发射塔,大爆炸能让你休息一年以上不用干活。风险大,刺激也大。
网系回收,中国首创的技术。长征十号乙前不久刚验证成功。用万吨级全自动驳船布一张大网,对火箭返回姿态要求比支腿回收低很多,海况适应能力强,还不用装四条腿。缺点是驳船造价不低,但比起几千万美元的火箭,多次使用的驳船算下来成本优势还是很明显的。
三种技术各有优劣,谁也替代不了谁。但共同点是都不容易,对发动机重复点火、节流技术、返回定位和姿态控制的要求,一个比一个狠。
聊到这儿,可能有人会问:火箭一子级都能收回来了,二级也收回来不就完事了吗?
问题没那么简单。二级分离高度在120到160公里,速度接近7.8公里/秒,已经是环绕速度了。要让二级也减速返回,需要携带大量额外燃料。给猎鹰9加个二级回收功能,LEO载荷直接砍掉40%以上,回收的意义就没了。
星舰想走全回收路线,但二级回收至今还没影。不是技术上做不到,是回收相当不划算。
那有没有一种方式,能把整枚"火箭"全都收回来,还特别经济?
有,就是空天飞机。原理其实不复杂:水平起飞,吸气式动力一路飞到30到40公里高度,再让上面级点火入轨,一级自己滑翔回来水平着陆。全程不用带氧化剂,或者说只需要带很少。
氧化剂占火箭重量多少?液氧煤油组合里氧化剂质量占比72.2%,液氧甲烷是78.3%,液氧液氢更是高达83.3%。以猎鹰9一子级为例,推进剂总质量约410吨,其中液氧就占了288吨。
这288吨,如果能靠吸气式动力省下来,省下来的不只是钱,更是载荷能力的天花板。
中国航天的"空天飞机"路线,核心就是腾云工程。
一级是吸气式高超音速载机,普通机场水平起飞,加速到5到7马赫,飞到30到40公里高度后与二级分离,然后自主滑翔飞回机场水平降落。二级是火箭动力的轨道级,分离后继续加速入轨,完成任务后像X-37B那样滑翔返回。
这个方案的关键难点在一级动力。从零速度水平起飞到5到7马赫,需要组合循环发动机,涡轮段管低速,冲压段管高速,中间还有个要命的模态转换问题。云龙动力用的是预冷式组合循环发动机,原理更先进但结构也更复杂。
不过最近有个好东西浮出水面:对转冲压发动机。单台就能把飞行器从零推到6马赫左右,整机重量比传统组合动力降低30%到35%,而且没有模态转换问题,全程平顺过渡。虽然要冲到7马赫还得再配个超燃冲压或小火箭助推,但成熟度比TBCC和预冷式都要高。
有军事观察人士认为,这款发动机"前途无量"。
三种回收火箭技术并跑,证明中国商业航天已经跑通了"省钱"这条路。而腾云工程代表的空天飞机路线,瞄准的是把"上天"这件事从"发射"变成"起飞"。一旦突破,普通人进出太空的成本,将彻底改写。
从扎堆测试的回收火箭,到吸气式组合动力的空天飞机,这条进化路线一旦走通,太阳系大航海时代,才算真正拉开帷幕。
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