中國運載火箭“降本增效”，可回收在行動

出品｜本站新聞

導語：中國商業航天蓬勃發展的勢頭也許比預想中發展得更快。12月10日17時07分，星際榮耀的雙曲線二號可重複使用液氧甲烷驗證火箭“二飛”試驗成功，實現了國內首次可回收火箭的複用飛行。12月9日消息，另一家民營航企藍箭航天發佈了我國首款可重複使用液氧甲烷不鏽鋼火箭——朱雀三號，子級預計能夠回收利用20次。可回收複用火箭“降本增效”有哪些顛覆性的思路？

一、全世界太空經濟共同的成本難題

太空運載火箭穩穩的直立降落在地面，完好無損完成垂直回收。在十年前，這是一個只能在電影中看到的畫面。

“高成本”是擋在全世界的太空經濟面前的一塊巨石，降本增效是商業航天發展的必由之路。

資料顯示，運載火箭每次發射需要消耗大量的燃料，就算使用最好的火箭，每入軌不到2噸的有效載荷都需要損失剩餘超過98噸的質量（包含燃料和火箭）。

燃料只是標準化的化工產品，價格遠低於火箭。火箭在製造過程中，需要大量使用高科技材料，消耗了絕大部分的發射成本：以“土星五號”爲例，建造一枚的價格相當於當時美國一艘核動力航母，倘若不是政治原因，這樣的項目絕對不可持續。

上世紀八十年代起，人類通過航天飛機開始進行降本嘗試，但發射過程中的助推火箭價格依舊高昂；其次是通過大量生產成熟火箭，形成“貨架產品”以降低成本，不能從根本上改變火箭高成本的唯有回收利用。

二、“星艦”帶來的啓發

提到可回收火箭，就繞不開作爲先驅者SpaceX“星艦”，在2021年，我國的火箭發射量曾經超過美國，但美國在2022年實現了對我國的反超，主要因爲SpaceX一家的火箭發射量近乎與中國航天持平（61次對比64次），這一套互聯網思維的“組合拳”徹底顛覆了行業。

由於不鏽鋼加工的便捷性，讓“星艦”原型箭體的製造十分迅速，加快了技術迭代，同時這也成爲了最新上市的特斯拉電動皮卡Cybertruck的同款材料。

“星艦”最核心的降本措施在於它的大規模並聯發動機設計，“星艦”一級採用了33臺“猛禽”發動機，“星艦”本體則採用了6臺“猛禽”發動機。在發射時，經常會有若干發動機出現失靈，但通過計算機的調整能夠及時關閉發動機並利用其他發動機的推力平衡火箭，保持基本的推力。

“星艦”採用大批量捆綁“猛禽”發動機的最大原因依然是成本，使用相同的發動機有利於實現動力的標準化。

“猛禽”發動機擁有優秀的設計，賦予了其領先的比沖和壓力。SpaceX的哲學在於，在確定了基礎設計方案後，大量生產產品可以分攤研發成本。目前，“猛禽”產生每千牛推力的成本已經降到一千美元，是人類歷史上的新低。產能也足夠大，大致爲一天一臺“猛禽”發動機，相當於一個多月就能組裝一臺“星艦”。

三、爲什麼液氧甲烷發動機是“降本”的關鍵？

液氧甲烷發動機，絕對是目前的熱門，液體發動機一度被稱作可回收火箭的“心臟”。早在1931年德國就研製了世界上第一臺液氧/甲烷(液化天然氣，LNG)發動機，二十世紀前期由於液氧和甲烷均爲低溫推進劑，使用維護性不如液氧/煤油；同時比衝（火箭引擎燃料效率利用）又比液氧/液氫低，因此在此後的幾十年間沒有研製出投入使用的液氧/甲烷發動機。

隨着各國開始重視航天運載器的無毒化和重複使用，液氧/甲烷組合價格低廉、無毒環保、密度比衝高、冷卻性能好、沸點相近、燃燒時積碳少，整體性能介於液氧/液氫和液氧/煤油之間，具有二者的優點，更加適宜於重複使用和長期在軌的航天器，受到了各國的關注，並進行了大量研究。

密度比衝對於運載火箭大推力下面級發動機是關鍵內因，液氧/甲烷低於液氧/煤油，高於液氧/液氫。推力室的冷卻設計是制約液體火箭發動機研製的主要因素，甲烷比熱容高、結焦極限溫度近1000℃、粘度小，是良好的冷卻劑，適合於推力室尤其是重複使用的推力室。

由於液氧和甲烷沸點分別爲90K和112K,接近空間溫度，便於空間長期貯存，同時貯箱間無需特殊的絕熱結構，而液氧/液氫方案存儲溫差較大，液氧/煤油方案則容易結焦，不利於複用；剩餘的燃料方案受到燃料本身化學性質限制，有比衝不高、劇毒的劣勢，因此液氧/甲烷發動機是未來無毒空間飛行器較好的動力選擇。

作爲世界首個成功入軌的液氧/甲烷火箭，搭載衛星的“朱雀二號”復飛成功。它採用了統一的80噸級液氧/甲烷發動機，填補了國際液體火箭型譜的空白，並表明了我國已經基本掌握了輕型火箭的液氧/甲烷發動機設計。此外，火箭的一二級採用了同樣的發動機，實現了動力的標準化。

憑藉在發動機研製過程中突破的關鍵技術，我國目前正在開展類似於“猛禽”發動機的200噸級全流量補燃循環液氧甲烷發動機(YF-215)研製工作，並已經在今年五月完成了初次點火試車，爲未來的超重型火箭創造基礎。

四、可回收技術爲火箭“增效”

相對於僅需向上的單次火箭發射而言，火箭落地的過程顯然複雜得多，對火箭本身結構的考驗也更復雜。偏轉和落地對於火箭內部相對脆弱管線的衝擊不可忽視，有可能造成火箭爆炸。可回收火箭的技術難點在於完善火箭回收的姿態控制方法以及內部複雜的管線設計，而這需要大量的試錯，沒有捷徑可走。

按照主流觀點，可回收火箭的壽命至少應該超過20次已成爲標配，並可視狀態決定是否延壽。火箭回收技術能讓火箭發射成本降低兩個數量級，最終使得火箭箭體的使用成本無限接近火箭燃料。

從回收比例來看，可回收火箭可分爲部分完全可回收火箭和完全可回收火箭，前者主要回收第一級火箭。SpaceX在完成回收第一級火箭後，將發射成本降到了兩千美元左右。

“雙曲線二號”在設計時，它已充分考慮了複用需求，支撐高質量“軟着陸”的反推動力是可完整複用、精準控制推力的液氧/甲烷發動機。該火箭一二級的發動機可通用，第一級可重複使用30次以上，能爲火箭節省70%以上的製造成本。

“雙曲線二號”的回收過程主要基於對火箭姿態的精準把控：在火箭到達最高點後，發動機熄火，然後利用重力降速爲零，在距離地面一定高度時，發動機再次點燃調整偏轉角度，並依靠發動機的反推降低下降速度進行高精度軟着陸，最終直立在地面上。

實現垂直回收與安全着陸的關鍵就在於採用了柵格舵控制，60年代末蘇聯科學家最早開始把柵格舵氣動控制技術逐步應用到導彈設計上。火箭在大氣層內下降再入段飛行過程中，初始速度高，越往下飛行大氣越稠密，動壓也越來越大，由此帶來的氣動干擾和氣動加熱就變得比較嚴重。柵格舵實現了大氣層內全程控制，包括上升段的全速域精確控制和高馬赫數再入落點控制。

五、“國家隊”超重型火箭的循環利用

長征系列運載火箭曾因其低發射成本而名聲遠播，但由於其是一次性火箭，循環利用箭體的思想也影響着中國“國家隊”的火箭設計。

“長征九號”是我國正在研發的超重型火箭，從2011年到2022年，捆綁式到光桿版設計方案至少變了三次。根據龍樂豪院士和餘夢倫院士的最新演講，新版“長征九號”總體構型已確定採用光桿無助推方案，並提出了火箭第一級可回收設想。

在2022年珠海航展的光桿版長征九號模型上，它的一級已經裝上了回收用俄格柵舵，這是複用火箭的重要標誌之一。原始設計中火箭的一二級均爲液氧/煤油發動機，設計中並未包含可回收、動力標準化等要求。未來長征九號將成爲一款部分回收火箭。

爲此長征九號的發動機也做了調整，火箭第一級改爲了並聯30臺200噸級液氧/甲烷發動機YF-215，最大起飛推力約爲6118噸，並能允許最多6臺發動機關閉，徹底轉爲了並聯大量較小發動機的道路；第二級也並聯了2臺同款液氧/甲烷發動機，完成了動力的標準化。從時間上看，這樣的轉變多少是受到了“星艦”思維的影響。

結語：可回收火箭已成爲太空工業化的大勢所趨，目前，我國商業可回收火箭纔剛起步，僅在概念上做了諸多技術儲備和驗證試驗，下一階段必將集中發力，以更快的速度推進技術發展，爲人類的“航天活動自由”貢獻中國力量。

參考文獻：

[1] 環球時報. SpaceX“星艦”再次爆炸，距離成功還有多遠？2023-11

[2]國家航天局. 康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基.2015-6

[3]航空知識. 傳奇的SpaceX新一代猛禽發動機，會是目前最強的火箭發動機嗎？2021-11

[4]新華網. 全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭——朱雀二號有何新特點？2023-7

[5]國家航天局. 星際榮耀雙曲線二號驗證火箭飛行任務取得圓滿成功.2023-11