中國的可回收火箭什麼時候來?跟私營公司有多大差距?

說到中國的可回收火箭,不得不讓人想到長征八號,這是我們國家公開報道的第一款可回收火箭。但是長征八號最早也得2019年底到2020年才能發射,那麼在此之前中國有沒有可回收計劃呢?長征八號成本能不能小於獵鷹9號呢?

中國的可回收火箭什麼時候來?跟私營公司有多大差距?

一、中國迫切需要可回收技術

世界各國都期待可回收技術的突破,但中國最迫切。倒不僅僅是因為要降低發射成本,還有很多現實的考慮。我們國家有四個航天發射場,其中三個在內陸,火箭殘骸很容易降落在居民區。雖然每次火箭發射,都要對火箭殘骸的預計落點附近的居民進行疏散,不會傷到人,但工作量很大,對民居和農田也可能造成傷害,而且殘骸的搜尋工作量也很大。

短期內,把三個內陸發射場都放棄也是不可能的。因此,儘快發展出一級火箭及助推器的回收技術,對於我國航天發展來說是非常必要的。其中,長征八號在設計時就考慮既能在文昌發射,也能在三個內陸發射場發射。

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火箭殘骸

中國的可回收火箭什麼時候來?跟私營公司有多大差距?

火箭殘骸落入民宅

二、回收技術分步走

目前主流的回收技術,有三種。分別是傘降回收、垂直回收和帶翼滑翔返回。三種都實現了使用,其中美國的航天飛機用到了第一種和第三種。spaceX的獵鷹9號實現了垂直回收。那麼中國的回收技術怎麼選擇呢?

1. 首選可控翼傘降方式

有人會說,長征八號明明是垂直降落模式,怎麼說首選傘降方式呢?其實,長征八號並不是唯一需要回收的火箭。前面提到我們內陸發射場對可回收技術的迫切需求,我們必須儘快解決火箭殘骸隨機散落的問題。因此,用可控翼傘降方式回收助推器和芯一級,對於回收火箭來說不一定有太大價值,但是對於控制殘骸散落問題卻非常有價值。可控翼傘降可以大幅減少落區範圍,實現小範圍安全降落。這個效果的好處可想而知。

所以說,我國很有可能在長八之前就要試驗傘降回收助推器的方案。

此外,按長征八號的固體助推器,不具備垂直回收的能力,只能採用傘降的方式。美國航天飛機的固體助推器也是通過傘降回收。同樣的道理,我國實現首飛的兩個民營公司發射的都是固體火箭,都不可能採用垂直回收的方式,只能傘降或放棄回收。

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2.長征八號驗證垂直回收

雖然說,長征八號芯一級採用垂直回收已經沒有懸念了,但是,為什麼完全採用成熟技術的長征八號不是現在試飛,而要等到2020年才會試飛呢?應該是回收技術環節還有障礙。

一方面,長征八號芯一級採用兩臺YF100液氧煤油發動機推動,要想實現可回收要比獵鷹九號更困難。因為獵鷹九號芯一級有9臺發動機,回收的時候大部分燃料耗盡,不需要太大的推力完成著陸,因此可以關掉幾臺,最後只用3臺發動機著陸就可以。但是長征八號就必須通過變推力發動機來實現,而現有的YF100發動機的推力可調範圍是65%-100%,對於空殼降落來說,這個推力太大了,平穩著陸很困難。

第二方面,可能彈性支架也需要經過不斷的試驗才能應用。火箭想要平穩著陸,除了需要反推力以外,著陸的彈性支架也很重要,既要站得穩,也要吸收反彈的能量,不能讓箭體收到傷害。這個技術,從原理上不難,但怎樣安裝到火箭上,什麼時候打開,怎樣保證平穩著陸應該也需要大量驗證工作。

此外,減輕火箭的自重,對於火箭運力和可回收來說都非常重要。長征八號如果使用更輕的航天材料,也需要一定的技術攻關。

但是不管怎麼說,長征八號是要實現垂直著陸的,為其他型號包括大型火箭長征五號和未來的重型火箭長征九號的回收蹚平道路。

中國的可回收火箭什麼時候來?跟私營公司有多大差距?

3. 技術細節

長征八號的基本構型已經確定,但怎樣實現回收的細節還沒有公佈。因此,我們可以暢想一下。

首先,固體助推器最好還是可控翼傘降。有人設計讓助推器和芯一級一起回收,靠芯一級的推力完成,看起來挺好,但是固體助推器完成任務後不及時分離,給火箭運力造成很大損失,並不划算,除非控制到助推器和芯一級同時結束助推,一起分離。但即使這樣,增加兩個助推器空殼,也需要芯一級預留更多燃料才能完成任務。

其次,發動機必須儘快突破更大範圍的變推。參照獵鷹九號,三臺降落髮動機,每臺推力最小可調到60%,大概可以減少到20%的主推力,如果減少到一臺發動機,可調的範圍更大,輕鬆實現小於1倍過載,對於實現平穩著陸非常有利。而YF100要想實現同樣的效果,就需要小於10%的最小推力,這個困難程度可想而知。估計這就是短時間內不發射的重要原因。當然,也可以通過算法來實現大推力多次點火著陸,那對箭載計算機的要求就會比較高,對於系統穩定性要求也比較高。

最後,其實長征八號也可以加上兩臺遊機,兩臺YF115改造成下面級遊機,18噸的真空推力,大概的地面推力接近16噸,再加上推力可調,兩臺遊機配合能夠更輕鬆實現平穩著陸。起飛主要靠大推力發動機,降落靠小推力遊機,實現起來要比大範圍推力可調容易很多。因為可重複利用,也無需太多考慮增加的成本。

中國的可回收火箭什麼時候來?跟私營公司有多大差距?

最終的可回收方案,我們靜觀其變。但如果能夠實現可回收,長八的成本還是很有可能低於獵鷹九號的。畢竟本身中國航天的成本在國際市場上都是很有優勢的,再加上可回收,應該可以比獵鷹9號更有優勢。現在來看,我們跟spaceX的可回收差距至少有五年。

關於可回收火箭,今天就介紹到這裡,以後還可以繼續討論相關話題。

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