江南体育-垂直回收一枚真火箭到底有多难？

发布日期：2024-09-20 作者：肥仔

垂直起降（vertical takeoff vertical landing,VTVL），顾名思义就是垂直起飞和垂直下降。火箭经由过程垂直起降可以到达收受接管子级并反复操纵的目标。SpaceX的猎鹰9号火箭恰是今朝最具代表性的垂直起降可收受接管火箭。

三年夜主流收受接管体例中，比拟在伞降收受接管，垂直起降收受接管着陆精度高、着陆冲击小，能实现包罗一级策动机等焦点部件在内的箭体整体无毁伤收受接管；比拟在带翼程度收受接管，垂直起降收受接管对地面场地和保障要求低、对运载效力影响小、手艺难度较低。是以，垂直起降收受接管因贸易利用价值最高而成为喷鼻饽饽，是当前火箭收受接管的最主流体例。

放眼国表里研制进展，已真正意义上成功实现垂直收受接管全比例火箭的唯一美国的太空摸索手艺公司（SpaceX）和蓝色发源公司（Blue Origin），这也直接申明了这类火箭收受接管体例的“闯关”难度级别之高。

起飞、爬升、分手、动力减速、气动减速、策动机焚烧、安稳垂直落地……这是对火箭垂直收受接管进程的粗略归纳综合。

事实上，火箭真实的垂直起降收受接管进程很是复杂而“凶恶”。简单假想一下，一支竖立的颀长铅笔被抛出去，履历短暂的飞翔进程，最后还得稳妥地返回，以直挺挺的姿态和很小的落速高精度竖直下降在指定的处所。

在这个路程中，铅笔的确是“步步惊心”的状况，可能蒙受的不测包罗但不限在：高空掉控被折断，偏离轨道没法返回，气力拿捏禁绝造成着落速度太快而摔落，落地姿态不敷直而倾倒，落地位置不在指定规模等。

做真实火箭的垂直起降实验，对未来冲破火箭反复利用和收受接管手艺来讲最成心义。那末，对一枚真实火箭而言，若要成功实现垂直收受接管，到底该如何“打怪进级”呢？

策动机屡次焚烧，推力持续可变

火箭要实现垂直返回，作为火箭“心脏”的策动机就必需具有两个要害的根基能力：屡次启动；年夜规模推力调理。以上是实现火箭垂直收受接管的根本。

就像一辆急驰中的汽车，油门、刹车瓜代，不断重启几回，中心还要频仍换挡，终究精准行驶到规定位置。不言而喻，这是对策动性能力的最年夜考验。

在火箭现实垂直收受接管进程中表示为：策动机焚烧，火箭起飞，策动机关机，火箭一级和二级分手；火箭一级在返回进程中再启动，先做一个减速；高速进入年夜气层后操纵年夜气减速；在着陆时策动机再焚烧，继续进行减速和节制。总而言之，策动机要履历2～3次启动。

此中，猎鹰火箭在垂江南体育直收受接管的发射使命中，策动机总共要履历3-4次焚烧。经由过程频仍的焚烧启动，不竭调理火箭飞翔的速度和姿态，以便终究实现以方才好的速度和角速度垂直下降在指定位置。

关在策动机推力转变方面，SpaceX公司利用的梅林策动机，即经由过程50%-110%变推力能力，知足了火箭垂直收受接管要求，实现了猎鹰9火箭的反复利用。

按照此前报导，我国平易近营贸易航天公司星际光荣自立研发的核心一号液氧甲烷策动机在立项之初就重点环绕推力调理的功能来进行设计。颠末几年攻关，该策动机已冲破了推力调理手艺，顺遂完成了屡次摹拟飞翔变推力试车，累计完成约12000秒，策动机在50%至115%推力规模内持续不变工作。系列试车成功查核了火箭从起飞到着陆进程中策动机的变推力调理进程，核心一号已具有履行垂直起降飞翔实验的全数前提。

（核心一号试车现场）

另外，值得一提的是，核心一号策动机采取了公认的将来优良燃料代表——液氧甲烷燃料。双曲线二号成功垂直起降收受接管后，该燃料将年夜年夜下降收受接管火箭保护检验本钱，乃至可以完全不做处置，便可以很快再次飞翔。

“严苛”节制精度，飞出最好线路

在火箭全部垂直返回的进程中，对精度节制方面的要求近乎“严苛”。这首要包括了两个层面的寄义：导航制导精度要求高；姿态的节制要求高。

运载火箭飞翔的轨迹被称为弹道，也就是火箭在天上飞过的轨迹线。弹道设计的黑白，直接关乎火箭姿态调理的能力、燃料耗损的经济性等。弹道设计得好，可能飞得更高，飞得更安稳，耗损的燃料更少；设计得欠好，火箭灵活能力、燃料耗损等都可能遭到很年夜影响。

火箭收受接管中，要想火箭子级顺遂返回，固然得避免走弯路。为火箭“导航”，确保它能在方才好的时候、方才好的地址，做方才好的动作，才算得上飞了“最好线路”。

关在这方面，星际光荣专家在此前采访中流露，研发进程中团队履历过盘曲，前期用理论计较做了一个节制性的设计，进行相干的风洞尝试时，才发实际际成果和前期理论计较成果相差很年夜。对系统数据进行完全的阐发后，团队从头设计了火箭返还的制导节制。针对此，今朝已成功完成年夜量仿真尝试，将来进行收受接管实验时，在包管平安的环境下，将采取最优的弹道体例。

（双曲线二号风洞实验模子）

值得留意的是，火箭往上飞时，是气动整流的外形；往回返的进程中，由于有策动机、着陆腿等突出物，全部火箭现实上长短常不法则的外形，全部系统特征也随之产生了很年夜转变，并且策动机一向在工作并向下喷出高速喷流，对火箭的气动机能影响很年夜。是以返回节制很是主要。此前，星际光荣双曲线二号验证型火箭完成了一级自动段和返回段飞翔节制系统验证工作。

提到姿态节制，则绕不开仗箭飞翔姿态节制装配——栅格舵，火箭子级收受接管进程中，操纵栅格舵进行姿态节制，具有节制效力高、节制品质好、靠得住经济的手艺优势。

（栅格舵实验现场）

研制可以或许完全反复利用的栅格舵系统，具有很年夜的手艺挑战：需要在严格力热情况下，知足上升飞翔进程中主动折叠锁定、返回进程中主动睁开和摆动、收受接管落地后主动折叠锁定等需求。星际光荣此前成功进行了双曲线二号可反复利用运载火箭栅格舵子系统地面验证实验。

“体重”轻又要耐缓冲，还不克不及怕热

收受接管飞翔中的火箭子级假如顺遂颠末了前期的各种考验，那末“九九八十一难”的最后一个难点就是“垂直着陆”飞翔。火箭着陆之前还燃料，策动机仍在工作，是以着陆装配在热情况、力学情况的表示很是要害。

这个进程中，一个很是靠谱的着陆装配不成或缺。这些壮大的着陆腿既要起到缓冲感化，避免火箭倾倒，还得忍耐策动机喷射的高温。

火箭子级着陆前夜刹时的冲击力较年夜，要知足火箭子级收受接管并反复利用的要求，就需要计较其尺寸、体重等指标，确保缓冲装配要在包管“身体轻巧”的根本上，在有限的行程内起到杰出的缓冲结果。

据领会，猎鹰9火箭着陆腿采取的是三角支持机构，由于睁开后支持规模较年夜，着陆进程相对不变，可以或许减轻节制压力，并在屡次发射使命中获得了充实验证。

蓝色发源公司的“新格伦”火箭和“新谢泼德”火箭则别离采取了动弹侧摆式机构和双动弹侧摆式机构，外不雅近似在平行四边形。可是鉴在对布局强度要求较高档缘由，在实践中存在必然水平上的不足。

本着真正成功实现火箭子级垂直收受接管的初心，星际光荣团队攻坚克难，研发了合适本身产物的着陆装配，充实统筹了着陆腿的“轻量化与靠得住性”

（落震实验现场）

经由过程有序展开布局静力承载实验、机构睁开实验、着陆装配落震实验等，验证了火箭摹拟真实飞翔环境下的着陆所有工况，为一子级火箭的垂直收受接管实验供给了坚实靠得住的保障。

另外，值得留意的是，关在“先入轨，再做收受接管”仍是“先成功收受接管，再入轨”的问题，星际光荣果断地选择了后者：一切对准终究的收受接管方针去展开工作。由于反复利用火箭在设计原则、整体方案、系统组成、焦点要害手艺等方面和传统的一次性火箭有底子性差别，一次性火箭没法经由过程方案更改变身成反复利用火箭。是以，对准反复利用火箭终究方案，在手艺上先冲破一子级反复利用手艺，然后在反复利用一子级上串连增添二子级是最公道、最高效的手艺路径，可以有用避免火箭整体方案的“翻车”和频频，恰是所谓“难而准确的事”。