一文告诉你火箭垂直回收的难度究竟有多大
一文告诉你火箭垂直回收的难度究竟有多大
2024年9月11日，我国自主研发的朱雀三号VTVL-1可重复使用垂直起降回收试验箭，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。这一成就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。然而，对于这项技术的难度和价值，社会上存在一些误解。本文将深入解析火箭垂直回收技术的复杂性，以及它对航天事业的重要意义。
朱雀三号飞行过程
火箭回收方式的分类
目前国际上关于火箭回收的方式主要分为三类：伞降回收、升力式水平回收、垂直回收。
- 伞降回收类似于伞兵依靠降落伞落地，火箭一般还会搭配气垫减少缓冲，我国的嫦娥六号返回器就采用了这种回收方式。
- 升力式水平回收则利用空气动力在大气层内像滑翔机一样飞行，实现平稳返回，美国的航天飞机就是这一技术的代表。
- 垂直回收，也称为气动力与主动力联合减速回收，主要依靠火箭发动机进行反推着陆，SpaceX的猎鹰9火箭是这一技术的典型代表。
垂直回收的技术难点
发动机推力深度调节技术
推力调节是指火箭发动机在运行过程中，通过改变喷口排气的速度、方向或燃料流量等方式，实现对火箭推力的精确控制。其主要技术原理是通过调节推进剂的流量，改变燃烧室的压力，进而改变火箭推力。
具备节流功能的液氧煤油发动机系统组成
发动机推力调节的范围越大越好，因为越窄推重比将越大，着陆的可行域越小，控制的难度就越大。目前国际上主流的技术途径包括高压降喷注器、多级液腔喷注器、针栓喷注器、气体喷注器、喷管喉部调节等。
返回段高精度制导
火箭在垂直返回过程中，必须依靠高精度的制导技术进行导航。这一技术的难点主要体现在以下几个方面：
复杂的飞行状态和极端的外界环境：火箭在返回过程中会经历多个飞行阶段，外部环境从1个标准大气压递减到0，温度从零下250°C到升到最高1500°C，同时伴随着大气扰动、风切变、湍流等极端条件。
复杂的制导算法：制导系统需要在极短时间内计算出最优的飞行轨迹，涉及复杂的数学模型和算法，要求计算机具有极高的计算速度。
控制与导航系统：制导系统除了对发动机进行推力调节外，还要调节安装在箭体外的栅格舵和RCS（反作用控制），配合主发动机进行推力矢量控制，以实现姿态的稳定。
火箭发动机多次起动
发动机多次点火的难点主要集中在发动机自身和外部条件两个方面。例如，点火的时间需要经过严格的计算，以确保火箭在着陆时刻的速度小于2m/s。
再入热防护技术
火箭一级分离再入大气层时的速度可达20马赫以上，箭体表面温度会迅速升到1500℃。因此，火箭箭体表面需要加装隔热层，但这种隔热层不仅要满足基本的隔热需求，还要满足轻量化设计和重复使用的要求。
重复使用的挑战
回收只是手段，最终目的是重复使用。这需要对箭体和关键部件进行严格的健康检查、维护、维修、更换，以确认是否满足二次发射。这涉及检测流程、检测内容、检测方法、维修策略、重复使用的评估标准等一系列问题，需要大量的实践积累。
结语
火箭垂直回收技术的突破不仅展示了人类在航天领域的技术进步，也为未来的太空探索开辟了新的可能性。面对SpaceX等国际领先企业的成就，中国航天人正以实际行动诠释着“不忘初心，砥砺前行”的精神。
本文原文来自网易新闻。