長(zhǎng)征火箭重復(fù)使用技術(shù)獲重要突破；首次精準(zhǔn)回收一子級(jí)，實(shí)現(xiàn)“指哪落哪”
中國(guó)火箭距重復(fù)使用還有多遠(yuǎn)？
中國(guó)長(zhǎng)征火箭日前成功進(jìn)行了一次技術(shù)試驗(yàn)，距離火箭可重復(fù)使用前進(jìn)了一步。
7月26日，在長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭的一次發(fā)射任務(wù)中，火箭的一子級(jí)落點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了精確控制。這一技術(shù)突破不僅有助于保障落區(qū)居民安全，也是未來(lái)中國(guó)火箭可重復(fù)使用的諸多核心技術(shù)之一。
目前，全球只有美國(guó)獵鷹火箭實(shí)現(xiàn)了火箭重復(fù)使用。發(fā)展火箭重復(fù)使用技術(shù)，也是我國(guó)航天未來(lái)發(fā)展規(guī)劃之一。
新京報(bào)訊 7月26日11時(shí)57分，長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心起飛，以“一箭三星”的方式，將遙感三十號(hào)05組三顆衛(wèi)星送入太空。
遙感三十號(hào)05組衛(wèi)星采用多星組網(wǎng)模式，主要用于開(kāi)展電磁環(huán)境探測(cè)及相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)。
自2017年9月29日首次挑戰(zhàn)“一箭三星”以來(lái)，長(zhǎng)二丙火箭五戰(zhàn)五捷，成功發(fā)射了五組15顆遙感三十號(hào)衛(wèi)星。
此次任務(wù)不同的是，這次看似尋常的發(fā)射任務(wù)，承擔(dān)了一場(chǎng)不尋常的技術(shù)試驗(yàn)：火箭一子級(jí)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)回收。
這項(xiàng)技術(shù)將為我國(guó)火箭助推器及子級(jí)的可控回收、軟著陸、重復(fù)使用等技術(shù)奠定基礎(chǔ)，最終幫助中國(guó)火箭實(shí)現(xiàn)可回收和重復(fù)使用。
火箭重復(fù)使用是各航天大國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的一項(xiàng)航天技術(shù)。讓火箭的助推器、一子級(jí)等部件在發(fā)射后安全返回，經(jīng)過(guò)整修后重復(fù)利用。這樣可以大大減少火箭發(fā)射成本，為未來(lái)高頻率火箭發(fā)射乃至降低太空旅游成本打下基礎(chǔ)。
讓火箭“倒著飛”
發(fā)射當(dāng)天13時(shí)40分，長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭一子級(jí)殘骸在貴州黔南布依族苗族自治州被找到。一子級(jí)的落點(diǎn)正位于研究人員事先設(shè)定的落區(qū)范圍內(nèi)，這意味著，我國(guó)運(yùn)載火箭首次“柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)”試驗(yàn)取得成功。
火箭上升時(shí)，位于一子級(jí)外側(cè)壁的幾片柵格舵緊貼箭體，以避免對(duì)發(fā)射造成影響。一子級(jí)分離后，重新返回大氣層，柵格舵完成了“解鎖-展開(kāi)-按控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)”等一系列復(fù)雜動(dòng)作，并承受了上千度高溫、近10倍自重的沖擊力。
小小的柵格舵，展開(kāi)后如小翅膀，保持著箭體姿態(tài)穩(wěn)定，幫助一子級(jí)精準(zhǔn)回歸地面。
“其他火箭設(shè)計(jì)師都是解決火箭如何‘正著飛’進(jìn)入軌道，我們卻逆向思維，探究‘倒著飛’的問(wèn)題?！毖邪l(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)師形象地說(shuō)。
可解決內(nèi)陸火箭殘骸落區(qū)安全問(wèn)題
我國(guó)運(yùn)載火箭高強(qiáng)密度發(fā)射已經(jīng)成為常態(tài)，尤其是2018年，發(fā)射次數(shù)達(dá)到38次，位列世界第一。隨之而來(lái)的火箭殘骸落區(qū)安全問(wèn)題，越來(lái)越受關(guān)注。
由于人口數(shù)量的增長(zhǎng)，上世紀(jì)六七十年代建立的內(nèi)陸火箭發(fā)射場(chǎng)周邊的火箭殘骸落區(qū)，不再是絕對(duì)的無(wú)人區(qū)。盡管在設(shè)計(jì)火箭的飛行軌跡時(shí)，寧可犧牲運(yùn)載能力也要盡量避開(kāi)村鎮(zhèn)，但由于火箭殘骸在完成任務(wù)后是無(wú)控墜落，落點(diǎn)散布范圍較大，有時(shí)可能墜落在有人居住的區(qū)域。
為了保障人員安全，當(dāng)前的做法是，在每次發(fā)射任務(wù)之前，將落區(qū)內(nèi)居民疏散到安全地帶。這不僅給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)不便，也增加了火箭發(fā)射的經(jīng)濟(jì)成本和工作難度。
長(zhǎng)二丙火箭由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司一院抓總研制。據(jù)一院第一設(shè)計(jì)部主任助理何巍介紹，為了減少火箭發(fā)射給落區(qū)居民帶來(lái)的不便，長(zhǎng)征火箭研制人員一直在進(jìn)行分離體落區(qū)安全控制技術(shù)的研究。此次長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭一子級(jí)的落點(diǎn)控制，采用的柵格舵控制，對(duì)于解決我國(guó)內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)落區(qū)安全性問(wèn)題具有重大意義。
柵格舵技術(shù)在成熟長(zhǎng)征火箭上成功驗(yàn)證
據(jù)何巍介紹，針對(duì)分離體落區(qū)安全控制，研制人員提出了基于翼傘和基于柵格舵兩種技術(shù)方案。
本次試驗(yàn)采用柵格舵控制殘骸落點(diǎn)，是我國(guó)首次嘗試。
此前，我國(guó)發(fā)射神舟載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭上也安裝過(guò)柵格翼，以保證逃逸飛行器的穩(wěn)定性。長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭副總設(shè)計(jì)師崔照云介紹，長(zhǎng)二F柵格翼展開(kāi)后是固定不動(dòng)的，近幾年，國(guó)外火箭上才開(kāi)始通過(guò)可擺動(dòng)的柵格舵來(lái)控制箭體的方向和姿態(tài)。
崔照云表示，此次長(zhǎng)征火箭第一次嘗試，就選擇了在大中型成熟運(yùn)載火箭最大的一子級(jí)上安裝柵格舵，要保證對(duì)火箭發(fā)射不能造成任何影響。而且，在一子級(jí)返回地面過(guò)程中，柵格舵要經(jīng)受上千度高溫、近10倍自重的沖擊力，對(duì)當(dāng)前研發(fā)制造技術(shù)是巨大挑戰(zhàn)。
火箭專(zhuān)家、長(zhǎng)三甲系列火箭首任總指揮兼總設(shè)計(jì)師龍樂(lè)豪曾在《重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展與展望》中介紹，目前柵格舵回收多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)成熟度已達(dá)到較高水平。柵格舵系統(tǒng)作為高集成度的獨(dú)立系統(tǒng)，成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)箭體改動(dòng)量少，可推廣用于火箭一子級(jí)(或芯級(jí))殘骸落區(qū)控制。
■ 焦點(diǎn)
中國(guó)成第二個(gè)掌握柵格舵技術(shù)的國(guó)家
記者從一院一部獲悉，此次試驗(yàn)的成功，為我國(guó)火箭助推器及子級(jí)的可控回收、軟著陸、重復(fù)使用等技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
柵格舵是目前國(guó)際通用的火箭回收技術(shù)。全球唯一實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的美國(guó)獵鷹9號(hào)火箭，使用的就是柵格舵技術(shù)。
2015年12月，在獵鷹9號(hào)火箭第20次發(fā)射任務(wù)中，一子級(jí)首次成功著陸。一子級(jí)重返大氣后，進(jìn)行減速，調(diào)整箭體姿態(tài)。接近地面時(shí)，火箭一子級(jí)頂部四個(gè)柵格翼展開(kāi)，對(duì)箭體姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定。主發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，火箭進(jìn)一步減速，一子級(jí)逐漸接近地面著陸場(chǎng)，實(shí)施軟著陸。
據(jù)一部介紹，此次利用柵格舵技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)征二號(hào)丙一子級(jí)精準(zhǔn)著陸，讓我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)掌握此項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。
但這與火箭重復(fù)使用尚有距離。實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，火箭不僅要“落得準(zhǔn)”，還要“落得穩(wěn)”。
龍樂(lè)豪曾表示，中國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器應(yīng)按照部分重復(fù)使用到完全重復(fù)使用的發(fā)展思路。未來(lái)新型運(yùn)載火箭，從立項(xiàng)研制開(kāi)始就要開(kāi)展垂直起降關(guān)鍵技術(shù)研究。
實(shí)施方案上，龍樂(lè)豪指出，火箭將采用芯級(jí)與助推捆綁整體垂直降落回收方式：兩個(gè)助推器與一子級(jí)捆綁后作為一個(gè)整體進(jìn)行垂直著陸、重復(fù)使用。火箭一、二級(jí)分離后，采用整體垂直降落的返回方式，實(shí)現(xiàn)減速和著陸，可根據(jù)不同任務(wù)需求返回原發(fā)射場(chǎng)或其他發(fā)射場(chǎng)。
“發(fā)展重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠支撐未來(lái)大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用空間，形成廉價(jià)的天地往返運(yùn)輸工具，推動(dòng)空間應(yīng)用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展?！饼垬?lè)豪說(shuō)。
新京報(bào)記者 倪偉 通訊員 扈佳林