22手猎鹰火箭已经出现 中国的可重复使用火箭如何？
22手猎鹰火箭已经出现 中国的可重复使用火箭如何？
作为同属航天大国的中国，在可重复使用火箭领域同样取得了一定的进展。6月23日，上海航天技术研究院（中国航天科技集团有限公司八院）抓总研制的重复使用运载火箭完成10公里级垂直起降飞行试验（VTVL）。这也是目前我国可重复使用火箭在垂直起降飞行试验中达到的最高高度。猎鹰系列火箭中的猎鹰9号是世界首款轨道级可重复使用火箭，于2010年6月首次发射成功，于2015年12月顺利将一枚卫星送入地球同步转移轨道（GTO)，并首次完成一级火箭回收（不过首次复用是在2017年）。这里给一个航天小知识：100公里处的位置一般被认为是太空与地球分界线（卡门线），低轨道卫星的轨道高度在200公里左右。火箭需要通过一级+二级两级火箭（或一级加助推器）才能完成卫星的发射。一级火箭能达到的速度和高度较低，其在降落时受到大气烧蚀少，可回收价值高，而二级火箭由于结束飞行时的高度更高且速度更快，因此在再入时会受到严重的大气烧蚀，回收难度极大。我们说的可重复使用火箭一般指的是火箭的一级。下面我们将通过具体的数据对比，来详细解读我国在此次航天八院的飞行实验。01本次发射的细节航天八院此次用于垂直起降飞行试验验证的可重复使用火箭其直径为3.8米，搭载了3台变推液氧甲烷发动机，最高达到12公里，采用着陆腿着陆的方式。首先，这枚火箭的直径为3.8米，搭载3台变推液氧甲烷发动机。火箭的直径直接影响了火箭的运力。在不带助推器的情况下，直径越大，带的发动机数量越多，带的燃料也多，运力也就越强（不过考虑到运输等其他综合问题，并不能无限大）。我国未来载人登月的长征十号系列火箭最大直径达5米、猎鹰9为3.7米、重型猎鹰为3.66米、星舰为9米。可见航天八院的这台火箭在完成度上并不是一个纯技术验证性火箭。其次在发射高度上，本次发射火箭最高达到12公里，也就是1200米左右的高度。而SpaceX在使用“蚱蜢”（垂直回收技术测试机）进行测试的最高高度为744米。也就是说，航天八院此次实验已经超过了SpaceX的蚱蜢测试阶段。图：美国“蚱蜢”火箭成功完成垂直起降测试来源：中国载人航天工程网再次，在火箭发动机上，本次火箭使用的是3台九州云箭研制的龙云液氧甲烷发动机而猎鹰9号用的是液氧煤油发动机。国家航天局曾发布《液氧甲烷火箭发展概述》，详细讲解了液氧甲烷的优势。在推进剂性能方面，液氧甲烷对比传统的液氧煤油各有优劣。在冷却效果上，甲烷展现出作为低温燃料的优势，得益于比热容指标，其综合冷却能力是煤油的3倍以上，并且作为含碳燃料，不易结焦积碳，这对于发动机实际使用效果来说更加“友好”。在发动机维护性上，甲烷则有天生的优势。如今，可回收复用火箭成为大势所趋，液氧煤油火箭在回收后必须对发动机进行彻底清洗才能继续使用，而液态甲烷为强挥发性燃料，液氧甲烷发动机由此显著减轻了后勤维护工作量。中国航天局所以，此次垂直起降飞行试验所使用的火箭很可能就是未来轨道级火箭一级的部分，完成度很高。02对比SpaceX的回收实验首先，SpaceX实现首次可回收的实验进度表（Spacex建造的第一台测试机被称为蚱蜢）：图：SpaceX 历次“蚱蜢跳”数据来源：公开资料整理Spacex建造的第二台测试机被称为F9R Dev 1。图：SpaceX F9R Dev 1测试机数据SpaceX在2014年8月，F9R Dev 1测试机（几乎就是“猎鹰9”号火箭的一级火箭部分）第五次测试结束后，便开始在实际发射任务中继续进行测试（并不是每次都会测试火箭回收）：2015年1月，执行CRS-5发射任务，海上回收失败；2015年2月，为美国国家海洋和大气管理局发射深空气候观测站卫星，海上软着陆（掉水里去了）；2015年4月，执行CRS-6发射任务，海上回收失败；2015年6月，发射给国际空间站运货的龙飞船，高空解体；2015年12月，执行卫星发射任务，陆上回收成功。从时间来看，SpaceX用于第二阶段测试的F9R Dev 1测试机的VTVL最高点也仅有1公里左右，在暂停其测试后经过几次实际的发射回收任务后便成功完成首次火箭回收。结合此前航天科技透露的：我国正抓紧研制4米级、5米级可重复使用火箭，计划分别于2025年和2026年首飞以及：研制团队将开展重复使用运载火箭70公里级垂直起降试验，基本覆盖火箭一子级飞行剖面我们可以进行个不准确的预测，在充分掌握火箭回收的各项技术后，可能明后年就能看到中国实现首次执行实际发射任务的火箭回收。除了航天八院外，近几年我国很多公司同样也在进行VTVL实验，并取得不错的成绩：来源：公开资料整理目前来看，民企中，星际荣耀的在可重复使用火箭这条路上走的比较远，其2023年12月的VTVL实验的高度达到343.12m，而且此次飞行试验所使用的火箭在20天前才完成一次VTVL实验。换句话说，星际荣耀在国内首次完成可重复使用技术验证火箭的复用飞行（只是试验，并不是实际发射）。另外一个这几天非常出名的民营企业是天兵科技，其在昨天的一子级九机并联动力系统热试车中发生意外，火箭脱离发射台起飞，而后坠毁。根据公告，该次实验的是天龙三号的一子级。根据公开资料天兵科技在2020年的时候完成了一次重复使用试验箭回收着陆装置试验（就是吊着的实验箭掉下来，看着陆系统能不能稳住），而后便是多次的发动机试车，并无其开展VTVL试验的信息公布。图：天龙三号简介来源：张家港发布03对比猎鹰9号在第二节里，我们对比的对象是SpaceX实现首次回收的历程。而在这一节里我们对比的是猎鹰9号。说直接对比猎鹰9号有点扯，因为我们的仅是一个单级实验火箭，而猎鹰9号是完整的可执行任务的火箭。但我们对比的其实是猎鹰9号的可回收能力。目前猎鹰9号同时具有海上和陆地回收的能力，对于陆地回收能力的建立，SpaceX是通过蚱蜢和F9R Dev 1两款测试机通过多次实验完成的。而猎鹰9号的海上回收能力却是在多次实际发射任务中建立的。表：猎鹰9号历次海上回收实验重复运载火箭在海面上和陆地上进行回收是有非常大的区别，根据《运载火箭海上平台成功回收的分析及启示》一文的分析，在海上和陆上回收下，猎鹰9的运载能力差距极大，这些差距可都是成本：存在这样差距的原因也很好理解：海上回收火箭时，是综合一级火箭下落和接驳船舶的实时位置进行的，能够实现火箭回收的最优解，而陆上回收时，陆上回收点的位置是固定不变，因此无论一级火箭分离时的位置及姿态如何，都需要根据陆上回收点进行调整，燃料消耗大。虽然海上回收的优势十分明显，但技术难度自然也很大（毕竟海上风浪大，而风浪越大鱼越贵！），具体而言包括：高精度导航及制导技术、姿态控制技术、海上着陆支撑技术、海上着陆平台等。反观国内，根据公开资料，目前仅箭元科技在2023年9月进行了一次海上溅落回收试验以及中科宇航使用涡喷发动机（非火箭发动机类型）进行了一次海上回收实验，其余公司包括国家队均无海上火箭回收的实验记录。综上可见，我国目前在可重复使用火箭上距离美国的猎鹰9号还有不小的差距，尤其是海上回收技术尚未可喜的进展。04总结可重复使用火箭研发的初衷是降低火箭发射成本，将人类的火箭发射推进到廉价时代，为大规模发射卫星及太空旅游提供可靠支撑。马斯克的SpaceX在这条路上独领风骚，猎鹰9号的最大复用次数已达到22次，同时还在加快星箭（重型运载火箭）的可重复...
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