中国验证火箭重复使用技术 追赶美国SpaceX 未来发射成本或减半

刊登日期 : 18/12/2023

中国航天｜第一级火箭成本高

　　要把飞船、卫星等航天器送上太空，必须使用运载火箭，而目前绝大多数运载火箭都是“一次性用品”，它发射升空后就会被抛弃，经过大气层烧蚀后残骸掉落地面或海中。

　　火箭用完即弃的好处是设计相对简单，材料等问题较容易解决。但它亦有不少缺点，最突出的是成本居高不下。

　　美国SpaceX“猎鹰9号”火箭，发射成本据报超过6,000万美元。中国的火箭或会稍低一些，但亦不便宜。而发射成本当中，燃料所占比例很低，“猎鹰9号”不到0.5%，而火箭硬件则占80%以上，当中又以第一级火箭占最大比例。

　　很多运载火箭是由数级火箭组合而成，从最底部的第一级开始，每级火箭燃料用完后便脱落，以减轻自身重量，同时下一级火箭发动机开始工作，继续加速飞天。

中国航天｜重复用前题是回收

　　因为火箭硬件成本高，航天专家一直寻求使之能够回收并重复使用的方法，首要目标是成本占比最大的第一级火箭。

 　  根据“猎鹰9号”的数据，第一级火箭回收后修整检测的开支要大约910万美元，相比第一级火箭用完即弃，实在便宜太多。

　　话说回来，火箭要重复使用，前题自然是能够回收。现在各国研究回收火箭的方式大致有3种：伞降回收、带翼回收和垂直回收。

　　伞降回收大致是在一级火箭脱落后，在低空用降落伞减速著陆，或由直升机在半空钩住带回地面。这种方式目前仍未完全实现。

中国航天｜垂直回收属主流做法

　　带翼回收简单而言是在第一级火箭上加装有翼助推器，让其脱落后和飞机般滑翔降落。这方式难度不太大，但因为要增加机翼、起落架等结构，相关重量会令火箭损失约40%运载力。

　　而垂直回收是目前最主流的做法，美国的“蓝色起源”和“SpaceX”走的都是这路线。

　　具体来说，第一级火箭脱落后，要再次点火调整姿态和轨迹，最后再点火反推减速，并实现在陆上或海上平台，以垂直姿态著陆。

　　这方式的好处是降落精度高、对火箭结构改动最小，最具经济效益。

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中国航天｜涉控制等问题 难度大

　　不过它的技术难度也极大，当中涉及弹道、气动、控制、发动机材料和多次点火的问题，能掌握者寥寥无几。

　　“SpaceX”经多次试验后，于2015年12月用“猎鹰-9”火箭发射11颗小型通信卫星，并成功垂直回收，这是全球第一个实用回收个案。至2022年9月，它已成功回收第一级火箭130多次，其中一个第一级火箭重复使用了14次。

　　而“蓝色起源”实用回收火箭，比“SpaceX”还早约一个月（2015年11月），惟它的火箭属亚轨道火箭，没有把航天器送入轨道能力，其后续发展亦较慢。

　　至于中国民企“星际荣耀”的小型验证火箭“双曲线二号”，是2023年11月2日在酒泉首飞，并垂直回收，是中国第一次成功进行同类试验。

中国航天｜飞高178米 平移50米

　　在该次试验中，“双曲线二号”只用了全尺寸的第一级火箭（高约17米，直径3.35米），没有安装第二级及其他搭载，飞行高度是178.42米。

　　到12月10日，回收的“双曲线二号”经修整和检测后再次升空，“二飞”的高度343.12米，历时63.15秒，并横向移动了50米，著陆速度每秒1.1米，精度约0.295米。

　　这两次试验，验证了起飞、发动机改变推力、着陆、回收等一系列技术。

　　300多米微不足道？这当然与“猎鹰-9”的实用操作不能相比，但要知道此前“SpaceX”用以验证重复使用技术的“蚱蜢”火箭，2012年首次成功试验时只上升了1.8米，同年第二次试验也只飞了17.7米。相比之下，“双曲线二号”起步不低了。

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中国航天｜最多可重复使用30次

　　顺带一提“双曲线二号”用的是以液氧甲烷为燃料的发动机，这是最适合用于重复使用火箭的发动机。

　　“双曲线二号”型号总指挥何光辉接受传媒访问时指出，这两次验证成功“相当于拿到重复使用火箭的基础“入场券”。该火箭后续还将重复试飞，为未来发射入轨（进入太空轨道）作准备。

　　他称，研发团队制定的目标，是火箭能重复使用20至30次，而从最佳经济效益来看，重复使用次数会是8至10次。他预测，“未来实现火箭回收复重后，发射价格将比现在的市场价降低50%左右”。

　　最后要补充，研发可重复使用火箭的机构或公司其实不少，以中国来说，全球首飞液氧甲烷火箭（“朱雀二号”）的民企“蓝箭航天”是其中之一，而“国家队”的“长征八号”火箭，未来也将实现第一级重复使用目标。