4月19日下午4時許，民營火箭企業(yè)翎客航天科技有限公司（下稱“翎客航天”）在山東龍口完成RLV-T5可回收火箭第二次低空發(fā)射及回收試驗，飛行時間30秒，飛行高度40米，是首次自由飛行高度的兩倍。回收落點精度優(yōu)于30厘米，相較首次試驗提高了近40%。

RLV-T5可回收火箭第二次低空發(fā)射及回收試驗

提起可回收火箭，一定離不開馬斯克的Space X。從2012年9月開始，SpaceX多次發(fā)射蚱蜢火箭開展試驗，最初飛行高度僅2米，第二跳高度為5.4米。一年后在“第八跳”時達(dá)到744米，對獵鷹9號垂直回收技術(shù)進(jìn)行了驗證。目前，中國也正沿著“降落傘+氣囊”和“垂直降落”兩條路走。那么火箭回收方式有哪些？可回收火箭技術(shù)難在哪？

翎客航天成立于2014年，從事可重復(fù)發(fā)射與液體火箭發(fā)動機技術(shù)研發(fā)，其首款小型商業(yè)運載火箭“新航線一號”（NewLine-1）面向微小衛(wèi)星發(fā)射市場，計劃于2021年左右實現(xiàn)首飛。RLV-T5型火箭于2018年5月完成方案詳細(xì)設(shè)計并正式投產(chǎn)，全箭高度8.1米，起飛重量1.5噸，動力系統(tǒng)采用5臺可變推力的液體火箭發(fā)動機并聯(lián)組成，其總體構(gòu)型、著陸機構(gòu)等部分核心技術(shù)考慮了繼承性，其控制算法框架及試驗研制流程可繼承至首型商業(yè)運載火箭新航線一號。

中國民營可回收火箭“第二跳”

山東龍口，一塊楚龍飛也說不上來到底多大的黃沙試驗場上，RLV-T5已經(jīng)過測試、加注乙醇。8米高的火箭豎在沙地中的水泥場地，上面刷著“welcome to earth（歡迎來到地球）”。下午2時30分，對講機里交流不斷，“準(zhǔn)備校準(zhǔn)、手動吹除正常、箭機復(fù)位……”

兩公里外，熱電廠煙囪吐著的滾滾白煙穩(wěn)穩(wěn)騰上天，這是翎客航天試驗場的風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)不大，是個適合試驗的好天氣。一個小時后，CEO胡振宇爬上火箭，插了一根自拍桿。如果試驗火箭不摔，他將用那些照片發(fā)個微博。

“一切正常，可以進(jìn)行點火流程。”完成液氧加注后，流程不再可逆，下午4時許，楚龍飛發(fā)出指令，隨著10秒倒數(shù)，火箭點火起飛，上天后發(fā)出刺耳的響聲，只做短暫停留便穩(wěn)穩(wěn)著陸，隨即掌聲響起，空中傳來一聲“牛”。

這意味著，中國民營可回收火箭試驗完成“第二跳”，飛行時間30秒，飛行高度40米，是首次自由飛行高度的兩倍。試驗場風(fēng)速為3至4級，回收落點精度優(yōu)于30厘米，相較首次試驗提高了近40%。

火箭著陸后地面痕跡

早在今年3月27日，同樣在山東龍口的試驗場，RLV-T5型火箭開展首次自由狀態(tài)下的低空飛行回收試驗并取得成功。彼時火箭在升空至20米處完成10秒懸停動作并平穩(wěn)著陸至回收試驗場中心區(qū)域。根據(jù)實時回傳的數(shù)據(jù)判讀，試驗在平均風(fēng)速5級、瞬時風(fēng)速6—7級的干擾環(huán)境下實現(xiàn)落點精度優(yōu)于50厘米的控制效果。

RLV-T5型火箭首次自由狀態(tài)下的低空飛行回收試驗數(shù)據(jù)

即便這樣的試驗已經(jīng)經(jīng)歷過一次，楚龍飛還是有些激動，反復(fù)觀看手機中火箭試驗的畫面，“目前無法用言語表達(dá)感受，就是覺得牛。”胡振宇也用那些“來自火箭”的照片發(fā)了條微博，“完美實現(xiàn)第二跳。”

試驗前，楚龍飛告訴澎湃新聞（www.6773257.com），對于火箭回收的技術(shù)來說，第一次試驗成功只能說明在原理上走通了，但該技術(shù)的成熟性和系統(tǒng)的可靠性需通過若干次試驗驗證。“這些試驗每次狀態(tài)的改變和優(yōu)化都是要基于大量數(shù)據(jù)分析與計算。這次試驗我們主要還是考核全部系統(tǒng)可靠性與可重復(fù)性。”

RLV-T5可回收火箭

火箭回收方式有哪些？

提起可回收火箭，一定離不開馬斯克的Space X。從2012年9月開始，SpaceX多次發(fā)射蚱蜢火箭開展試驗，最初飛行高度僅2米，第二跳高度為5.4米。一年后在“第八跳”時達(dá)到744米，對獵鷹9號垂直回收技術(shù)進(jìn)行了驗證。當(dāng)?shù)貢r間2015年12月21日，馬斯克的獵鷹9號成功回收火箭一子級。今年當(dāng)?shù)貢r間4月11日，獵鷹重型火箭實現(xiàn)首次帶載荷的商業(yè)發(fā)射，并史無前例地完成一枚芯級和兩枚助推器的同時回收。

同樣作為技術(shù)驗證火箭，“RLV-T5火箭與Space X的蚱蜢火箭還差得很遠(yuǎn)。至少從噸位上說，蚱蜢火箭達(dá)到幾十噸量級，我們才1.5噸，僅有它的幾十分之一。”楚龍飛說。

可回收火箭技術(shù)是航天大國激烈角逐的最前沿領(lǐng)域之一。火箭回收方式有3種，一是“降落傘+氣囊”式，即在火箭分離后先進(jìn)行空中制動變軌進(jìn)入返回地球大氣層的返回軌道，接著在低空采用降落傘減速，最后打開氣囊或用緩沖發(fā)動機著陸。二是滑翔飛行水平降落方案，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動后，火箭像飛機一樣水平降落返回地面。

第三種是利用發(fā)動機的反推作用垂直回收，Space X采用的就是此種回收方式。目前，中國也正沿著“降落傘+氣囊”和“垂直降落”兩條路走，2011年，中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心開始設(shè)立可回收火箭項目。另外，采用子級整體垂直反推回收技術(shù)的“長征八號”火箭預(yù)計最早即可于2020年首飛。

楚龍飛介紹，垂直回收方式的流程包括火箭一子級發(fā)動機在百公里高度停止工作，一二級分離，由于慣性一子級繼續(xù)向上飛行，當(dāng)飛行速度減小到零時自由落體，在這個過程中啟動?xùn)鸥穸鏆鈩訙p速、控制姿態(tài)。直到一子級下降至距離地面幾公里時，再次啟動發(fā)動機進(jìn)行多次點火，用產(chǎn)生的反推力抵消快速降落的速度，實現(xiàn)一子級軟著陸。

翎客航天低空飛行回收試驗“第一跳”、“第二跳”均是火箭垂直回收環(huán)節(jié)的最后一步。今年下半年，翎客航天還將在青海進(jìn)行公里級火箭回收實驗，但目前試驗高度僅為40米，翎客航天火箭結(jié)構(gòu)主管萬美對澎湃新聞（www.6773257.com）表示，“我們通過這個小火箭20米、40米、100米到1公里不斷迭代，最終完成1公里的回收，這將是火箭回收技術(shù)的關(guān)鍵突破。”

RLV-T5可回收火箭

可回收火箭技術(shù)難點：控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)

40米高的飛行過程同樣驗證火箭精確高效的控制技術(shù)、可以變推力和重復(fù)使用的發(fā)動機技術(shù)。但距離真正的運載火箭一子級回收，目前還隔著多個技術(shù)坎。楚龍飛曾在接受采訪時表示，運載火箭一子級不會入軌，回收難度與亞軌道火箭相當(dāng)，但其高度達(dá)到百公里，速度也有4倍音速左右，遠(yuǎn)超出公里級回收試驗范圍，由此帶來的許多技術(shù)尚待攻克或驗證。

RLV-T5可回收火箭

那么可回收火箭究竟難在何處？中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心高級工程師唐慶博曾介紹，火箭一子級垂直返回過程精度控制要求高，包括一子級落點精準(zhǔn)控制和垂直姿態(tài)控制。發(fā)動機大范圍變推力調(diào)節(jié)能力強，推力調(diào)節(jié)要從60%調(diào)節(jié)到110%。推進(jìn)劑管理難度大，一子級下降時推進(jìn)劑失重而飄浮，解決推進(jìn)劑沉底是關(guān)鍵。另外，火箭一子級著陸時要有緩沖裝置，一方面要緩沖著陸、防止傾倒，另一方面還要忍受發(fā)動機噴射的高溫。

“可回收火箭的技術(shù)難點主要在于控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。”楚龍飛表示，動力主要包括火箭發(fā)動機調(diào)節(jié)推力的能力以及多次點火的能力。例如參與此次實驗的RLV-T5型火箭，起飛推力略大于1.5噸，當(dāng)推進(jìn)劑燃燒后，火箭重量不斷減輕，如果推力不變，火箭將繼續(xù)向上飛行，因此通過實時調(diào)節(jié)火箭推力可幫助火箭降落。在這一過程中，推力的調(diào)節(jié)是通過調(diào)整貯箱中燃料流向發(fā)動機的流量來實現(xiàn)的。但流量一調(diào)整，對發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性有較大影響，易導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)部燃燒不穩(wěn)定。而多次點火產(chǎn)生的上千度高溫或損傷發(fā)動機。

從控制角度講，控制的作用是根據(jù)火箭實時的物理狀態(tài)進(jìn)行計算，計算每個執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行任務(wù)。所有執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)會影響火箭的物理狀態(tài)，如果控制是正確的，則意味著火箭能穩(wěn)定地控制在空中；如果出現(xiàn)錯誤，則火箭直接會失去控制，掉落地面甚至爆炸。