我们为什么要建空间站？......
朱雀三号试验箭试验成功，我国可重复使用火箭水平如何？
来源：互联网
2024-11-14 08:53:15 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
出品：科普中国
制作：川陀太空（科普创作者）
监制：中国科普博览
近日，我国自主研发的朱雀三号可重复使用垂直回收试验箭，在酒泉卫星发射中心完成10公里级垂直起降返回飞行试验，这是自2024年1月，朱雀三号VTVL-1验证火箭成功完成测试后又一个里程碑。
朱雀三号是我国民营运载火箭企业蓝箭航天的产品，是朱雀系列火箭的最新型号。蓝箭航天在2018年开始测试朱雀一号，发展到如今的朱雀三号VTVL-1验证火箭，这标志着我国商业航天在可重复使用运载火箭技术上取得重大突破，将来的发展方向是研发出可重复使用的高运力低成本运载火箭。
蓝箭VTVL-1火箭进行十公里高度回收试验的现场图像
（图片来源：蓝箭航天）
蓝箭航天朱雀三号大型可重复使用火箭垂直返回技术的VTVL-1试验箭
（图片来源：蓝箭航天）
为什么要研发可重复使用火箭
可重复使用火箭是指能够部分或者全部回收火箭部件，并重复使用的发射系统。航天飞机其实就是一种可重复使用的发射系统，但它的问题在于无法低成本使用。
引用美国宇航局艾姆斯研究中心在2018年的会议数据，航天飞机将27.5吨的载荷送入近地轨道，成本约15亿美元，每公斤约5.45万美元，而商业发射所使用的猎鹰9号运载火箭，将22.8吨载荷送入近地轨道，成本为6200万美元，每公斤约2720美元。显然航天飞机虽然也是可重复使用的发射系统，但是发射成本太高，最终也要被淘汰。
航天飞机计划还涉及隔热装置安全性的问题，导致美国宇航局不得不在发射一架航天飞机的时候，再准备另一架航天飞机也矗立在另一个发射工位上，随时准备救援，进一步导致发射成本增加。
两架航天飞机同时矗立发射工位，一架处于待命救援状态，导致航天飞机虽然是可重复使用发射系统，但发射成本极高
（图片来源：NASA）
当下对可重复使用火箭的定义更加注重其低成本性，换而言之，如果无法实现低成本运营，那么可重复使用的意义就荡然无存。从运载火箭的角度看，目前阻碍近地轨道大规模开发的瓶颈就是成本问题，这里的成本并不是火箭发射的总费用，而是根据发射报价和载荷质量折算出的每公斤载荷进入轨道的成本。
美战略与国际研究中心（CSIS）的数据显示，目前猎鹰重型火箭进入近地轨道的每公斤载荷成本是1500美元，低于欧洲阿丽亚娜5G运载火箭的9167美元和质子火箭的4320美元。
送入轨道的费用降低了，那么大规模开发近地轨道或者近地轨道商业化的才有可能实现，这就是发展目前我们作为航天强国要发展可重复使用火箭的目标。比如目前正在实施的千帆星座计划、鸿鹄星座计划、中国星网的GW星座计划，都需要将上万颗卫星送入近地轨道，我国已经在2020年4月，首次将卫星互联网纳入新基建的范畴。
发射成本的降低，也意味着我们可以将更多的卫星送入轨道，如果是大推力可重复运载火箭，那么我们打造空间站的成本也会更低，空间站的规模自然也会增加，功能也会得到进一步延伸。
千帆卫星星座已经开始打造
（图片来源：CCTV）
可重复使用火箭的原理是什么？
目前我国研发的可重复使用火箭侧重于对第一级助推器的回收，从而实现可重复使用，回收的方式就是让助推器完成使命后再垂直降落。要让火箭第一级垂直降落，就需要控制发动机喷射方向，并控制火箭的姿态，在降落过程中，发动机通过向下喷射气流，产生向上的反作用力，逐步控制第一级的下落速度，在距离地面一定高度时，展开着陆腿，最终实现定点垂直软着陆。
技术方面涉及发动机调节推力，第一级返回时姿态控制的相关技术等，同时还需要研发出能够重复使用的火箭发动机。目前可重复使用发动机比较理想的动力就是液氧甲烷发动机，我国朱雀二号使用的天鹊系列就是全球首枚成功入轨的液氧甲烷发动机，200吨级YF215液氧甲烷发动机也在研发中，这是我国第一款采用全流量分级燃烧循环技术的火箭发动机，有利于我国扩展空间探索。
朱雀二号遥二运载火箭在我国酒泉卫星发射中心发射升空
（图片来源：新华社）
回收第一级助推器对火箭的可重复使用意义重大。可重复使用发动机的成本较高，大约可占整个火箭发射成本的六至七成，主要是因为发动机比较昂贵，猎鹰9号使用9台发动机，每台发动机按约200万美元算，第一级助推器的成本仅发动机一项就要花费约1800万美元，占一次发射6200万美元报价的比重较大。
如果助推器数量较多，比如达到三个，那么这些助推器对发射成本的影响就更大了。同时，第一级助推器分离高度还没有出大气层，也适合回收，所涉及技术难度要远低于第二级发动机的回收。
朱雀三号VTVL-1验证火箭这次试飞，验证的就是垂直返回技术，一子级点火升空后到达了10公里的高度，之所以选择这个高度，是因为10公里有足够的高度可以验证各种各样的扰动，一子级在下降过程中可通过格栅舵、火箭发动机垂直反推和重启，对姿态进行联合控制，这些都是朱雀三号VTVL-1验证火箭要测试的内容。
随着火箭质量的增加，着陆缓冲系统则是火箭软着陆的关键，缓冲装置将吸收箭体的动能和势能，确保火箭在复杂条件下安全着陆。
朱雀三号VTVL-1火箭有何特点？
朱雀三号VTVL-1的定位是验证火箭，是以全尺寸发动机构建的工程样机，蓝箭航天计划通过垂直起降回收试验，验证多项重复使用火箭的关键技术。
该试验箭为单级液氧甲烷火箭，箭体直径3.35米，长度18.3米，起飞质量约68吨，搭载80吨级天鹊-12改进型液氧甲烷发动机，具有变推力调节和多次点火能力。箭体使用高强度不锈钢箭体结构，有4片栅格舵系统，软着陆时，有3组着陆缓冲机构。从外观上可以确定，朱雀三号VTVL-1并非最终定型的型号，仍然以试验为主，全状态的朱雀三号将在2025年首飞。
我国垂直降落技术展示
（图片来源：新华网）
朱雀三号全状态图像
（图片来源：蓝箭航天）
验证火箭与可执行发射任务的火箭相比，外观上可直观分辨出。验证火箭并没有整流罩，结构简单，只需满足测试所需的硬件条件即可。
全状态的朱雀三号将搭载9台天鹊-12改进型发动机，可将12至21吨的载荷送入近地轨道，在国际上处于领先地位，毕竟目前能够研发可重复使用火箭的国家也只有中美，但是我国民营航天企业正在研发的可重复使用火箭种类多，除了朱雀三号外，还有双曲线三号运载火箭、天龙三号运载火箭等等，形成一种百花齐放的竞争局面，对我国大规模开发近地轨道空间奠定了坚实的基础。
由于可重复使用火箭对比的并非是运载能力，所以评价一款可重复使用火箭的能力，并不是运载能力越大越好，而是在一定条件下每公斤载荷进入轨道的成本，显然这个成本在不影响运力的情况下越低，则代表这款火箭更加优秀。从这个角度看，朱雀三号，还有天龙三号都有极强的低成本潜力。
参考文献：
1.近期航天发射成本大幅降低
2.太空发射至低地球轨道：成本是多少？
3.星际穿梭：可回收火箭奇幻之旅
4.外媒关注：中国打造“千帆星座”迈出重要一步
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