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垂直回收一枚真火箭到底有多难?

2023-10-31 11:02   来源: 互联网

      垂直起降(vertical takeoff vertical landing,VTVL),顾名思义就是垂直起飞和垂直降落。火箭通过垂直起降可以达到回收子级并重复利用的目的。SpaceX的猎鹰9号火箭正是目前最具代表性的垂直起降可回收火箭。

      三大主流回收方式中,相比于伞降回收,垂直起降回收着陆精度高、着陆冲击小,能实现包括一级发动机等核心部件在内的箭体整体无损伤回收;相比于带翼水平回收,垂直起降回收对地面场地及保障要求低、对运载效率影响小、技术难度较低。因此,垂直起降回收因商业应用价值最高而成为香饽饽,是当前火箭回收的最主流方式。

      放眼国内外研制进展,已经真正意义上成功实现垂直回收全比例火箭的仅有美国的太空探索技术公司(SpaceX)和蓝色起源公司(Blue Origin),这也直接说明了这种火箭回收方式的“闯关”难度级别之高。

      起飞、爬升、分离、动力减速、气动减速、发动机点火、平稳垂直落地……这是对火箭垂直回收过程的粗略概括。

      事实上,火箭真正的垂直起降回收过程非常复杂而“凶险”。简单设想一下,一支直立的细长铅笔被抛出去,经历短暂的飞行过程,最后还得稳当地返回,以直挺挺的姿态及很小的落速高精度竖直降落在指定的地方。

      在这个旅程中,铅笔简直是“步步惊心”的状态,可能遭受的意外包括但不限于:高空失控被折断,偏离轨道没法返回,力量拿捏不准造成下落速度太快而摔落,落地姿态不够直而倾倒,落地位置不在指定范围等。

      做真实火箭的垂直起降试验,对将来突破火箭重复使用和回收技术来说最有意义。那么,对于一枚真实火箭而言,若要成功实现垂直回收,到底该怎样“打怪升级”呢?


发动机多次点火,推力连续可变

      火箭要实现垂直返回,作为火箭“心脏”的发动机就必须具备两个关键的基本能力:多次启动;大范围推力调节。以上是实现火箭垂直回收的基础。

      就像一辆急驰中的汽车,油门、刹车交替,不停重启几次,中间还要频繁换挡,最终精准行驶到划定位置。显而易见,这是对发动机能力的最大考验。

      在火箭实际垂直回收过程中表现为:发动机点火,火箭起飞,发动机关机,火箭一级和二级分离;火箭一级在返回过程中再启动,先做一个减速;高速进入大气层后利用大气减速;在着陆时发动机再点火,继续进行减速和控制。总而言之,发动机要经历2~3次启动。

      其中,猎鹰火箭在垂直回收的发射任务中,发动机总共要经历3-4次点火。通过频繁的点火启动,不断调节火箭飞行的速度和姿态,以便最终实现以刚刚好的速度和角速度垂直降落在指定位置。

      关于发动机推力变化方面,SpaceX公司使用的梅林发动机,即通过50%-110%变推力能力,满足了火箭垂直回收要求,实现了猎鹰9火箭的重复使用。

      根据此前报道,我国民营商业航天公司星际荣耀自主研发的焦点一号液氧甲烷发动机在立项之初就重点围绕推力调节的功能来进行设计。经过几年攻关,该发动机已经突破了推力调节技术,顺利完成了多次模拟飞行变推力试车,累计完成约12000秒,发动机在50%至115%推力范围内连续稳定工作。系列试车成功考核了火箭从起飞到着陆过程中发动机的变推力调节过程,焦点一号已具备执行垂直起降飞行试验的全部条件。

(焦点一号试车现场)

      此外,值得一提的是,焦点一号发动机采用了公认的未来优质燃料代表——液氧甲烷燃料。双曲线二号成功垂直起降回收后,该燃料将大大降低回收火箭维护检修成本,甚至可以完全不做处理,就可以很快再次飞行。


“严苛”控制精度,飞出最佳路线

      在火箭整个垂直返回的过程中,对精度控制方面的要求近乎“严苛”。这主要包含了两个层面的含义:导航制导精度要求高;姿态的控制要求高。

      运载火箭飞行的轨迹被称为弹道,也就是火箭在天上飞过的轨迹线。弹道设计的好坏,直接关乎火箭姿态调节的能力、燃料消耗的经济性等。弹道设计得好,可能飞得更高,飞得更平稳,消耗的燃料更少;设计得不好,火箭机动能力、燃料消耗等都可能受到很大影响。

      火箭回收中,要想火箭子级顺利返回,当然得避免走弯路。为火箭“导航”,确保它能在刚刚好的时间、刚刚好的地点,做刚刚好的动作,才算得上飞了“最佳路线”。

      关于这方面,星际荣耀专家在此前采访中透露,研发过程中团队经历过曲折,前期用理论计算做了一个控制性的设计,进行相关的风洞实验时,才发现实际结果和前期理论计算结果相差很大。对系统数据进行完全的分析后,团队重新设计了火箭返还的制导控制。针对此,目前已经成功完成大量仿真实验,未来进行回收试验时,在保证安全的情况下,将采用最优的弹道方式。

(双曲线二号风洞试验模型)

      值得注意的是,火箭往上飞时,是气动整流的外形;往回返的过程中,因为有发动机、着陆腿等凸起物,整个火箭实际上是非常不规则的外形,整个系统特性也随之发生了很大变化,而且发动机一直在工作并向下喷出高速喷流,对火箭的气动性能影响很大。因此返回控制非常重要。此前,星际荣耀双曲线二号验证型火箭完成了一级主动段及返回段飞行控制系统验证工作。

      提到姿态控制,则绕不开火箭飞行姿态控制装置——栅格舵,火箭子级回收过程中,利用栅格舵进行姿态控制,具有控制效率高、控制品质好、可靠经济的技术优势。

(栅格舵试验现场)

      研制能够完全重复使用的栅格舵系统,具有很大的技术挑战:需要在严酷力热环境下,满足上升飞行过程中自动折叠锁定、返回过程中自动展开和摆动、回收落地后自动折叠锁定等需求。星际荣耀此前成功进行了双曲线二号可重复使用运载火箭栅格舵子系统地面验证试验。


“体重”轻又要耐缓冲,还不能怕热

      回收飞行中的火箭子级如果顺利经过了前期的种种考验,那么“九九八十一难”的最后一个难点就是“垂直着陆”飞行。火箭着陆之前还有燃料,发动机仍在工作,因此着陆装置在热环境、力学环境的表现非常关键。

      这个过程中,一个非常靠谱的着陆装置不可或缺。这些强大的着陆腿既要起到缓冲作用,防止火箭倾倒,还得忍受发动机喷射的高温。

      火箭子级着陆前夕瞬间的冲击力较大,要满足火箭子级回收并重复使用的要求,就需要计算其尺寸、体重等指标,确保缓冲装置要在保证“身体轻盈”的基础上,在有限的行程内起到良好的缓冲效果。

      据了解,猎鹰9火箭着陆腿采用的是三角支撑机构,因为展开后支撑范围较大,着陆过程相对稳定,能够减轻控制压力,并在多次发射任务中得到了充分验证。

      蓝色起源公司的“新格伦”火箭和“新谢泼德”火箭则分别采用了转动侧摆式机构和双转动侧摆式机构,外观类似于平行四边形。但是鉴于对结构强度要求较高等原因,在实践中存在一定程度上的不足。

      本着真正成功实现火箭子级垂直回收的初心,星际荣耀团队攻坚克难,研发了符合自身产品的着陆装置,充分兼顾了着陆腿的“轻量化与可靠性”

(落震试验现场)

      通过有序开展结构静力承载试验、机构展开试验、着陆装置落震试验等,验证了火箭模拟真实飞行情况下的着陆所有工况,为一子级火箭的垂直回收试验提供了坚实可靠的保障。

      此外,值得注意的是,关于“先入轨,再做回收”还是“先成功回收,再入轨”的问题,星际荣耀坚定地选择了后者:一切瞄准最终的回收目标去开展工作。因为重复使用火箭在设计原则、总体方案、系统构成、核心关键技术等方面和传统的一次性火箭有根本性差异,一次性火箭无法通过方案更改变身成重复使用火箭。因此,瞄准重复使用火箭最终方案,在技术上先突破一子级重复使用技术,然后在重复使用一子级上串联增加二子级是最合理、最高效的技术路径,可以有效防止火箭总体方案的“翻车”和反复,正是所谓“难而正确的事”。

(蓄势待发)

      双曲线二号火箭一开始便按照回收的核心思路来做设计。三四年的时间内,在其他商业公司已经完成了“入轨优先路线”的目标时,他们仍坚持对回收技术的层层探索和不断突破,蓄势待发。

      星际荣耀透露,在摸索过程中确实遇到太多坎坷,但是整个团队觉得一切都值得,突破回收以后再做入轨是初衷,符合团队对于商业航天逻辑的深度思考,也将支撑大家始终脚踏实地,更加坚定地走向更远。


责任编辑:prsky
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