記者 張靜
4月19日下午4時許，民營火箭企業(yè)翎客航天科技有限公司（下稱“翎客航天”）在山東龍口完成RLV-T5可回收火箭第二次低空發(fā)射及回收試驗，飛行時間30秒，飛行高度40米，是首次自由飛行高度的兩倍�；厥章潼c精度優(yōu)于30厘米，相較首次試驗提高了近40%。
RLV-T5可回收火箭第二次低空發(fā)射及回收試驗
提起可回收火箭，一定離不開馬斯克的Space X。從2012年9月開始，SpaceX多次發(fā)射蚱蜢火箭開展試驗，最初飛行高度僅2米，第二跳高度為5.4米。一年后在“第八跳”時達(dá)到744米，對獵鷹9號垂直回收技術(shù)進行了驗證。目前，中國也正沿著“降落傘+氣囊”和“垂直降落”兩條路走。那么火箭回收方式有哪些？可回收火箭技術(shù)難在哪？
翎客航天成立于2014年，從事可重復(fù)發(fā)射與液體火箭發(fā)動機技術(shù)研發(fā)，其首款小型商業(yè)運載火箭“新航線一號”（NewLine-1）面向微小衛(wèi)星發(fā)射市場，計劃于2021年左右實現(xiàn)首飛。RLV-T5型火箭于2018年5月完成方案詳細(xì)設(shè)計并正式投產(chǎn)，全箭高度8.1米，起飛重量1.5噸，動力系統(tǒng)采用5臺可變推力的液體火箭發(fā)動機并聯(lián)組成，其總體構(gòu)型、著陸機構(gòu)等部分核心技術(shù)考慮了繼承性，其控制算法框架及試驗研制流程可繼承至首型商業(yè)運載火箭新航線一號。
中國民營可回收火箭“第二跳”
山東龍口，一塊楚龍飛也說不上來到底多大的黃沙試驗場上，RLV-T5已經(jīng)過測試、加注乙醇。8米高的火箭豎在沙地中的水泥場地，上面刷著“welcome to earth（歡迎來到地球）”。下午2時30分，對講機里交流不斷，“準(zhǔn)備校準(zhǔn)、手動吹除正常、箭機復(fù)位……”
兩公里外，熱電廠煙囪吐著的滾滾白煙穩(wěn)穩(wěn)騰上天，這是翎客航天試驗場的風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)不大，是個適合試驗的好天氣。一個小時后，CEO胡振宇爬上火箭，插了一根自拍桿。如果試驗火箭不摔，他將用那些照片發(fā)個微博。
“一切正常，可以進行點火流程。”完成液氧加注后，流程不再可逆，下午4時許，楚龍飛發(fā)出指令，隨著10秒倒數(shù)，火箭點火起飛，上天后發(fā)出刺耳的響聲，只做短暫停留便穩(wěn)穩(wěn)著陸，隨即掌聲響起，空中傳來一聲“牛”。
這意味著，中國民營可回收火箭試驗完成“第二跳”，飛行時間30秒，飛行高度40米，是首次自由飛行高度的兩倍。試驗場風(fēng)速為3至4級，回收落點精度優(yōu)于30厘米，相較首次試驗提高了近40%。
火箭著陸后地面痕跡
早在今年3月27日，同樣在山東龍口的試驗場，RLV-T5型火箭開展首次自由狀態(tài)下的低空飛行回收試驗并取得成功。彼時火箭在升空至20米處完成10秒懸停動作并平穩(wěn)著陸至回收試驗場中心區(qū)域。根據(jù)實時回傳的數(shù)據(jù)判讀，試驗在平均風(fēng)速5級、瞬時風(fēng)速67級的干擾環(huán)境下實現(xiàn)落點精度優(yōu)于50厘米的控制效果。
RLV-T5型火箭首次自由狀態(tài)下的低空飛行回收試驗數(shù)據(jù)
即便這樣的試驗已經(jīng)經(jīng)歷過一次，楚龍飛還是有些激動，反復(fù)觀看手機中火箭試驗的畫面，“目前無法用言語表達(dá)感受，就是覺得牛。”胡振宇也用那些“來自火箭”的照片發(fā)了條微博，“完美實現(xiàn)第二跳。”
試驗前，楚龍飛告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），對于火箭回收的技術(shù)來說，第一次試驗成功只能說明在原理上走通了，但該技術(shù)的成熟性和系統(tǒng)的可靠性需通過若干次試驗驗證。“這些試驗每次狀態(tài)的改變和優(yōu)化都是要基于大量數(shù)據(jù)分析與計算。這次試驗我們主要還是考核全部系統(tǒng)可靠性與可重復(fù)性。”
RLV-T5可回收火箭
火箭回收方式有哪些？
提起可回收火箭，一定離不開馬斯克的Space X。從2012年9月開始，SpaceX多次發(fā)射蚱蜢火箭開展試驗，最初飛行高度僅2米，第二跳高度為5.4米。一年后在“第八跳”時達(dá)到744米，對獵鷹9號垂直回收技術(shù)進行了驗證。當(dāng)?shù)貢r間2015年12月21日，馬斯克的獵鷹9號成功回收火箭一子級。今年當(dāng)?shù)貢r間4月11日，獵鷹重型火箭實現(xiàn)首次帶載荷的商業(yè)發(fā)射，并史無前例地完成一枚芯級和兩枚助推器的同時回收。
同樣作為技術(shù)驗證火箭，“RLV-T5火箭與Space X的蚱蜢火箭還差得很遠(yuǎn)。至少從噸位上說，蚱蜢火箭達(dá)到幾十噸量級，我們才1.5噸，僅有它的幾十分之一。”楚龍飛說。
可回收火箭技術(shù)是航天大國激烈角逐的最前沿領(lǐng)域之一�；鸺厥辗绞接�3種，一是“降落傘+氣囊”式，即在火箭分離后先進行空中制動變軌進入返回地球大氣層的返回軌道，接著在低空采用降落傘減速，最后打開氣囊或用緩沖發(fā)動機著陸。二是滑翔飛行水平降落方案，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭像飛機一樣水平降落返回地面。
第三種是利用發(fā)動機的反推作用垂直回收，Space X采用的就是此種回收方式。目前，中國也正沿著“降落傘+氣囊”和“垂直降落”兩條路走，2011年，中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心開始設(shè)立可回收火箭項目。另外，采用子級整體垂直反推回收技術(shù)的“長征八號”火箭預(yù)計最早即可于2020年首飛。
楚龍飛介紹，垂直回收方式的流程包括火箭一子級發(fā)動機在百公里高度停止工作，一二級分離，由于慣性一子級繼續(xù)向上飛行，當(dāng)飛行速度減小到零時自由落體，在這個過程中啟動?xùn)鸥穸鏆鈩訙p速、控制姿態(tài)。直到一子級下降至距離地面1-2公里時，再次啟動發(fā)動機進行多次點火，用產(chǎn)生的反推力抵消快速降落的速度，實現(xiàn)一子級軟著陸。
翎客航天低空飛行回收試驗“第一跳”、“第二跳”均是火箭垂直回收環(huán)節(jié)的最后一步。今年下半年，翎客航天還將在青海進行公里級火箭回收實驗，但目前試驗高度僅為40米，翎客航天火箭結(jié)構(gòu)主管萬美對澎湃新聞（www.thepaper.cn）表示，“我們通過這個小火箭20米、40米、100米到1公里不斷迭代，最終完成1公里的回收，這將是火箭回收技術(shù)的關(guān)鍵突破。”
RLV-T5可回收火箭2
可回收火箭技術(shù)難點：控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)
40米高的飛行過程同樣驗證火箭精確高效的控制技術(shù)、可以變推力和重復(fù)使用的發(fā)動機技術(shù)。但距離真正的運載火箭一子級回收，目前還隔著多個技術(shù)坎。楚龍飛曾在接受采訪時表示，運載火箭一子級不會入軌，回收難度與亞軌道火箭相當(dāng)，但其高度達(dá)到百公里，速度也有4倍音速左右，遠(yuǎn)超出公里級回收試驗范圍，由此帶來的許多技術(shù)尚待攻克或驗證。
RLV-T5可回收火箭3
那么可回收火箭究竟難在何處？中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心高級工程師唐慶博曾介紹，火箭一子級垂直返回過程精度控制要求高，包括一子級落點精準(zhǔn)控制和垂直姿態(tài)控制。發(fā)動機大范圍變推力調(diào)節(jié)能力強，推力調(diào)節(jié)要從60%調(diào)節(jié)到110%。推進劑管理難度大，一子級下降時推進劑失重而飄浮，解決推進劑沉底是關(guān)鍵。另外，火箭一子級著陸時要有緩沖裝置，一方面要緩沖著陸、防止傾倒，另一方面還要忍受發(fā)動機噴射的高溫。
“可回收火箭的技術(shù)難點主要在于控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。”楚龍飛表示，動力主要包括火箭發(fā)動機調(diào)節(jié)推力的能力以及多次點火的能力。例如參與此次實驗的RLV-T5型火箭，起飛推力略大于1.5噸，當(dāng)推進劑燃燒后，火箭重量不斷減輕，如果推力不變，火箭將繼續(xù)向上飛行，因此通過實時調(diào)節(jié)火箭推力可幫助火箭降落。在這一過程中，推力的調(diào)節(jié)是通過調(diào)整儲箱中燃料流向發(fā)動機的流量來實現(xiàn)的。但流量一調(diào)整，對發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性有較大影響，易導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)部燃燒不穩(wěn)定。而多次點火產(chǎn)生的上千度高溫或損傷發(fā)動機。
從控制角度講，控制的作用是根據(jù)火箭實時的物理狀態(tài)進行計算，計算每個執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行任務(wù)。所有執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)會影響火箭的物理狀態(tài)，如果控制是正確的，則意味著火箭能穩(wěn)定地控制在空中；如果出現(xiàn)錯誤，則火箭直接會失去控制，掉落地面甚至爆炸。
