为何重复使用火箭试验，都选择10公里这个高度？

来源：互联网 2024-11-14 08:53:17 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

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为啥大家都选10公里，就是因为这个数字好听吗？

近年来，重复使用火箭技术的发展成为全球航天领域的热门话题。尤其是在商业航天领域，各国公司都在争相开发能够垂直起降的可重复使用火箭。而在这一过程中，10公里高度似乎成为了验证可重复火箭技术的重要“门槛”。无论是美国的SpaceX，八院的验证箭，还是朱雀三号的VTVL-1，10公里这个高度总是在测试中反复出现。那么，为什么选择这个高度？它对于可重复火箭技术的验证意味着什么？翻过这个坎，前方真的就一片坦途了？今天，我们就花点时间专门聊聊它。

第一个需要回答的就是——10公里的高度，到底意味着什么？其实，在火箭发射过程中，10公里这个高度并不是特别显著的一个“里程碑”，它甚至还未突破大气层，尚处于地球的对流层内。然而，对于可重复使用火箭来说，这却是一个至关重要的高度。首先，10公里以下的大气密度较大，空气阻力强烈。在这样的环境下，火箭在上升和下降过程中都将经历巨大的压力和空气阻力。这意味着火箭的姿态控制系统、稳定性控制系统、以及栅格舵等辅助设备都需要经受严峻考验。此外，火箭在此高度还会经历“最大动压”，即空气动力对火箭施加的最大压力。这是火箭飞行过程中最为复杂的阶段之一，火箭需要在这个阶段保持平稳，以避免结构受损或发生故障。其次，10公里是火箭在飞行过程中需要经历超音速和亚音速状态变化的高度。对于可重复火箭来说，这也是一次验证“跨音速”控制能力的机会。跨音速是指火箭从亚音速，即小于音速过渡到超音速超过音速的过程。在这个阶段，气流的变化会对火箭的姿态和控制系统产生巨大的扰动。因此，10公里的飞行高度不仅能够测试火箭的耐受性，还可以验证火箭在跨音速下的稳定性和精确控制能力。这一高度被选为关键的试验点，正是因为其代表了火箭在极端条件下的性能测试。

那么，完成这一10公里级的飞行，又意味着什么呢？可以说，它标志着火箭技术的一个重大进步。首先，火箭在这样的高度返回并成功着陆，意味着其具备了基本的重复使用能力。正如中国朱雀三号的设计团队所强调的，这一飞行成功表明火箭的发动机、栅格舵等核心部件可以在返回过程中精确配合，并保持稳定。但是，成功完成这一高度的试验，并不意味着前方再无阻碍。10公里的飞行虽然验证了火箭在部分复杂环境下的适应性和控制能力，但距离真正的轨道级飞行仍有很大差距。在更高的高度，火箭需要面对更严峻的挑战，尤其是再入大气层时的高温和极高速度。对于中国的可重复火箭技术而言，10公里的飞行成功，更多的是意味着技术的验证已进入关键阶段。火箭的垂直起降技术已经有了初步的成果，但后续需要解决的，还有如何实现更高高度的垂直回收，以及应对再入过程中产生的巨大热量和动能。比如再入大气层时产生的高温如何有效防护；比如火箭的着陆精度和速度控制如何进一步提高；再比如，火箭的结构如何足够轻盈，但又要足够坚固，以应对多次使用的疲劳损耗等等。我们期待着，随着技术的逐步成熟和飞行次数的增加，这些问题将逐步得到解决。

而说到我国可重复火箭技术的发展与现状，一个无法绕过的点就是SpaceX的成就了。SpaceX自2000年代初开始，就致力于研发能够重复使用的火箭，并于2015年首次成功实现了火箭的垂直回收。此后，SpaceX多次完成轨道级火箭的回收与重复使用，彻底改变了航天产业的成本结构。相比之下，中国的可重复火箭技术起步较晚。虽然近年来取得了显著进展，但与SpaceX仍存在一定差距。以朱雀三号VTVL-1为例，目前中国的测试还处于10公里高度的垂直起降阶段，而SpaceX早已实现了海上回收与轨道级火箭的重复使用。然而，这并不意味着中国航天没有赶超的可能。中国近年来在航天技术的研发上投入了大量资源，并在多次试验中取得了重大突破。从时间上看，中国可重复使用火箭的实用化进程或许还需5-10年左右才能达到SpaceX目前的水平。然而，中国庞大的市场需求，民营企业在技术创新上的投入，也会进一步缩短这一差距。

总而，10公里的飞行试验不仅是技术验证的重要一步，更是未来航天探索的基石。我国在这一领域虽起步较晚，但凭借持续的投入和技术积累，有望在不久的将来赶上SpaceX步伐，开启属于我们自己的可回收航天时代。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：甘戍冬科普视频创作者

审核：周炳红中国科学院国家空间科学中心研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司