中國驗證火箭重複使用技術 追趕美國SpaceX 未來發射成本或減半

刊登日期 : 18/12/2023

中國航天｜第一級火箭成本高

　　要把飛船、衛星等航天器送上太空，必須使用運載火箭，而目前絕大多數運載火箭都是「一次性用品」，它發射升空後就會被拋棄，經過大氣層燒蝕後殘骸掉落地面或海中。

　　火箭用完即棄的好處是設計相對簡單，材料等問題較容易解決。但它亦有不少缺點，最突出的是成本居高不下。

　　美國SpaceX「獵鷹9號」火箭，發射成本據報超過6,000萬美元。中國的火箭或會稍低一些，但亦不便宜。而發射成本當中，燃料所佔比例很低，「獵鷹9號」不到0.5%，而火箭硬件則佔80%以上，當中又以第一級火箭佔最大比例。

　　很多運載火箭是由數級火箭組合而成，從最底部的第一級開始，每級火箭燃料用完後便脱落，以減輕自身重量，同時下一級火箭發動機開始工作，繼續加速飛天。

中國航天｜重複用前題是回收

　　因為火箭硬件成本高，航天專家一直尋求使之能夠回收並重複使用的方法，首要目標是成本佔比最大的第一級火箭。

 　  根據「獵鷹9號」的數據，第一級火箭回收後修整檢測的開支要大約910萬美元，相比第一級火箭用完即棄，實在便宜太多。

　　話說回來，火箭要重複使用，前題自然是能夠回收。現在各國研究回收火箭的方式大致有3種：傘降回收、帶翼回收和垂直回收。

　　傘降回收大致是在一級火箭脫落後，在低空用降落傘減速著陸，或由直升機在半空鉤住帶回地面。這種方式目前仍未完全實現。

中國航天｜垂直回收屬主流做法

　　帶翼回收簡單而言是在第一級火箭上加裝有翼助推器，讓其脫落後和飛機般滑翔降落。這方式難度不太大，但因為要增加機翼、起落架等結構，相關重量會令火箭損失約40%運載力。

　　而垂直回收是目前最主流的做法，美國的「藍色起源」和「SpaceX」走的都是這路線。

　　具體來說，第一級火箭脫落後，要再次點火調整姿態和軌迹，最後再點火反推減速，並實現在陸上或海上平台，以垂直姿態著陸。

　　這方式的好處是降落精度高、對火箭結構改動最小，最具經濟效益。

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中國航天｜涉控制等問題 難度大

　　不過它的技術難度也極大，當中涉及彈道、氣動、控制、發動機材料和多次點火的問題，能掌握者寥寥無幾。

　　「SpaceX」經多次試驗後，於2015年12月用「獵鷹-9」火箭發射11顆小型通信衛星，並成功垂直回收，這是全球第一個實用回收個案。至2022年9月，它已成功回收第一級火箭130多次，其中一個第一級火箭重複使用了14次。

　　而「藍色起源」實用回收火箭，比「SpaceX」還早約一個月（2015年11月），惟它的火箭屬亞軌道火箭，沒有把航天器送入軌道能力，其後續發展亦較慢。

　　至於中國民企「星際榮耀」的小型驗證火箭「雙曲線二號」，是2023年11月2日在酒泉首飛，並垂直回收，是中國第一次成功進行同類試驗。

中國航天｜飛高178米 平移50米

　　在該次試驗中，「雙曲線二號」只用了全尺寸的第一級火箭（高約17米，直徑3.35米），沒有安裝第二級及其他搭載，飛行高度是178.42米。

　　到12月10日，回收的「雙曲線二號」經修整和檢測後再次升空，「二飛」的高度343.12米，歷時63.15秒，並橫向移動了50米，著陸速度每秒1.1米，精度約0.295米。

　　這兩次試驗，驗證了起飛、發動機改變推力、著陸、回收等一系列技術。

　　300多米微不足道？這當然與「獵鷹-9」的實用操作不能相比，但要知道此前「SpaceX」用以驗證重複使用技術的「蚱蜢」火箭，2012年首次成功試驗時只上升了1.8米，同年第二次試驗也只飛了17.7米。相比之下，「雙曲線二號」起步不低了。

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中國航天｜最多可重複使用30次

　　順帶一提「雙曲線二號」用的是以液氧甲烷為燃料的發動機，這是最適合用於重複使用火箭的發動機。

　　「雙曲線二號」型號總指揮何光輝接受傳媒訪問時指出，這兩次驗證成功「相當於拿到重複使用火箭的基礎『入場券』」。該火箭後續還將重複試飛，為未來發射入軌（進入太空軌道）作準備。

　　他稱，研發團隊制定的目標，是火箭能重複使用20至30次，而從最佳經濟效益來看，重複使用次數會是8至10次。他預測，「未來實現火箭回收複重後，發射價格將比現在的市場價降低50%左右」。

　　最後要補充，研發可重複使用火箭的機構或公司其實不少，以中國來說，全球首飛液氧甲烷火箭（「朱雀二號」）的民企「藍箭航天」是其中之一，而「國家隊」的「長征八號」火箭，未來也將實現第一級重複使用目標。