中国民营可回收火箭完成"第二跳",这项技术难在哪?

2019-04-20 08:55:07 来源: 澎湃新闻(上海) 举报
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(原标题:中国民营可回收火箭完成“第二跳”,可回收火箭技术难在哪?)

澎湃新闻记者 张静

4月19日下午4时许,民营火箭企业翎客航天科技有限公司(下称“翎客航天”)在山东龙口完成RLV-T5可回收火箭第二次低空发射及回收试验,飞行时间30秒,飞行高度40米,是首次自由飞行高度的两倍。回收落点精度优于30厘米,相较首次试验提高了近40%。

RLV-T5可回收火箭第二次低空发射及回收试验

提起可回收火箭,一定离不开马斯克的Space X。从2012年9月开始,SpaceX多次发射蚱蜢火箭开展试验,最初飞行高度仅2米,第二跳高度为5.4米。一年后在“第八跳”时达到744米,对猎鹰9号垂直回收技术进行了验证。目前,中国也正沿着“降落伞+气囊”和“垂直降落”两条路走。那么火箭回收方式有哪些?可回收火箭技术难在哪?

翎客航天成立于2014年,从事可重复发射与液体火箭发动机技术研发,其首款小型商业运载火箭“新航线一号”(NewLine-1)面向微小卫星发射市场,计划于2021年左右实现首飞。RLV-T5型火箭于2018年5月完成方案详细设计并正式投产,全箭高度8.1米,起飞重量1.5吨,动力系统采用5台可变推力的液体火箭发动机并联组成,其总体构型、着陆机构等部分核心技术考虑了继承性,其控制算法框架及试验研制流程可继承至首型商业运载火箭新航线一号。

中国民营可回收火箭“第二跳”

山东龙口,一块楚龙飞也说不上来到底多大的黄沙试验场上,RLV-T5已经过测试、加注乙醇。8米高的火箭竖在沙地中的水泥场地,上面刷着“welcome to earth(欢迎来到地球)”。下午2时30分,对讲机里交流不断,“准备校准、手动吹除正常、箭机复位……”

两公里外,热电厂烟囱吐着的滚滚白烟稳稳腾上天,这是翎客航天试验场的风向标,风不大,是个适合试验的好天气。一个小时后,CEO胡振宇爬上火箭,插了一根自拍杆。如果试验火箭不摔,他将用那些照片发个微博。

“一切正常,可以进行点火流程。”完成液氧加注后,流程不再可逆,下午4时许,楚龙飞发出指令,随着10秒倒数,火箭点火起飞,上天后发出刺耳的响声,只做短暂停留便稳稳着陆,随即掌声响起,空中传来一声“牛”。

这意味着,中国民营可回收火箭试验完成“第二跳”,飞行时间30秒,飞行高度40米,是首次自由飞行高度的两倍。试验场风速为3至4级,回收落点精度优于30厘米,相较首次试验提高了近40%。

火箭着陆后地面痕迹

早在今年3月27日,同样在山东龙口的试验场,RLV-T5型火箭开展首次自由状态下的低空飞行回收试验并取得成功。彼时火箭在升空至20米处完成10秒悬停动作并平稳着陆至回收试验场中心区域。根据实时回传的数据判读,试验在平均风速5级、瞬时风速6—7级的干扰环境下实现落点精度优于50厘米的控制效果。

RLV-T5型火箭首次自由状态下的低空飞行回收试验数据

即便这样的试验已经经历过一次,楚龙飞还是有些激动,反复观看手机中火箭试验的画面,“目前无法用言语表达感受,就是觉得牛。”胡振宇也用那些“来自火箭”的照片发了条微博,“完美实现第二跳。”

试验前,楚龙飞告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),对于火箭回收的技术来说,第一次试验成功只能说明在原理上走通了,但该技术的成熟性和系统的可靠性需通过若干次试验验证。“这些试验每次状态的改变和优化都是要基于大量数据分析与计算。这次试验我们主要还是考核全部系统可靠性与可重复性。”

RLV-T5可回收火箭

火箭回收方式有哪些?

提起可回收火箭,一定离不开马斯克的Space X。从2012年9月开始,SpaceX多次发射蚱蜢火箭开展试验,最初飞行高度仅2米,第二跳高度为5.4米。一年后在“第八跳”时达到744米,对猎鹰9号垂直回收技术进行了验证。当地时间2015年12月21日,马斯克的猎鹰9号成功回收火箭一子级。今年当地时间4月11日,猎鹰重型火箭实现首次带载荷的商业发射,并史无前例地完成一枚芯级和两枚助推器的同时回收。

同样作为技术验证火箭,“RLV-T5火箭与Space X的蚱蜢火箭还差得很远。至少从吨位上说,蚱蜢火箭达到几十吨量级,我们才1.5吨,仅有它的几十分之一。”楚龙飞说。

可回收火箭技术是航天大国激烈角逐的最前沿领域之一。火箭回收方式有3种,一是“降落伞+气囊”式,即在火箭分离后先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道,接着在低空采用降落伞减速,最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。二是滑翔飞行水平降落方案,即箭体采用翼式飞行体,在变轨制动后,火箭像飞机一样水平降落返回地面。

第三种是利用发动机的反推作用垂直回收,Space X采用的就是此种回收方式。目前,中国也正沿着“降落伞+气囊”和“垂直降落”两条路走,2011年,中国运载火箭技术研究院研发中心开始设立可回收火箭项目。另外,采用子级整体垂直反推回收技术的“长征八号”火箭预计最早即可于2020年首飞。

楚龙飞介绍,垂直回收方式的流程包括火箭一子级发动机在百公里高度停止工作,一二级分离,由于惯性一子级继续向上飞行,当飞行速度减小到零时自由落体,在这个过程中启动栅格舵气动减速、控制姿态。直到一子级下降至距离地面1-2公里时,再次启动发动机进行多次点火,用产生的反推力抵消快速降落的速度,实现一子级软着陆。

翎客航天低空飞行回收试验“第一跳”、“第二跳”均是火箭垂直回收环节的最后一步。今年下半年,翎客航天还将在青海进行公里级火箭回收实验,但目前试验高度仅为40米,翎客航天火箭结构主管万美对澎湃新闻(www.thepaper.cn)表示,“我们通过这个小火箭20米、40米、100米到1公里不断迭代,最终完成1公里的回收,这将是火箭回收技术的关键突破。”

RLV-T5可回收火箭2

可回收火箭技术难点:控制系统和动力系统

40米高的飞行过程同样验证火箭精确高效的控制技术、可以变推力和重复使用的发动机技术。但距离真正的运载火箭一子级回收,目前还隔着多个技术坎。楚龙飞曾在接受采访时表示,运载火箭一子级不会入轨,回收难度与亚轨道火箭相当,但其高度达到百公里,速度也有4倍音速左右,远超出公里级回收试验范围,由此带来的许多技术尚待攻克或验证。

RLV-T5可回收火箭3

那么可回收火箭究竟难在何处?中国运载火箭技术研究院研发中心高级工程师唐庆博曾介绍,火箭一子级垂直返回过程精度控制要求高,包括一子级落点精准控制和垂直姿态控制。发动机大范围变推力调节能力强,推力调节要从60%调节到110%。推进剂管理难度大,一子级下降时推进剂失重而飘浮,解决推进剂沉底是关键。另外,火箭一子级着陆时要有缓冲装置,一方面要缓冲着陆、防止倾倒,另一方面还要忍受发动机喷射的高温。

“可回收火箭的技术难点主要在于控制系统和动力系统。”楚龙飞表示,动力主要包括火箭发动机调节推力的能力以及多次点火的能力。例如参与此次实验的RLV-T5型火箭,起飞推力略大于1.5吨,当推进剂燃烧后,火箭重量不断减轻,如果推力不变,火箭将继续向上飞行,因此通过实时调节火箭推力可帮助火箭降落。在这一过程中,推力的调节是通过调整储箱中燃料流向发动机的流量来实现的。但流量一调整,对发动机的燃烧稳定性有较大影响,易导致发动机内部燃烧不稳定。而多次点火产生的上千度高温或损伤发动机。

从控制角度讲,控制的作用是根据火箭实时的物理状态进行计算,计算每个执行机构的执行任务。所有执行机构的响应会影响火箭的物理状态,如果控制是正确的,则意味着火箭能稳定地控制在空中;如果出现错误,则火箭直接会失去控制,掉落地面甚至爆炸。

乔俊婧 本文来源:澎湃新闻 责任编辑:乔俊婧_NBJ11279
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