國產(chǎn)可重復(fù)火箭完成10公里測(cè)試，有一點(diǎn)與馬斯克很不一樣

【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 高天偉】

2024年6月23日，由我國航天科技集團(tuán)八院研制的重復(fù)使用運(yùn)載火箭新技術(shù)驗(yàn)證箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功進(jìn)行了10公里級(jí)飛行試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，火箭由3臺(tái)變推液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，上升至約12公里高度，關(guān)閉兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)，中心發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)推力，火箭受控下降，在距離地面50米處，四條著陸腿展開，隨后火箭緩速下降，高度趨近于零，穩(wěn)穩(wěn)落在回收?qǐng)銎?，?shí)現(xiàn)定點(diǎn)垂直軟著陸，試驗(yàn)取得圓滿成功！航天科技集團(tuán)評(píng)價(jià)本次試驗(yàn)“為2025年如期實(shí)現(xiàn)4米級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭首飛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?！?/p>

我們?yōu)槭裁匆l(fā)展可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的驗(yàn)證箭？我國什么時(shí)候能出現(xiàn)類似美國獵鷹9號(hào)的“完全體”可回收復(fù)用火箭？行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)與合作格局如何？這篇文章就來簡(jiǎn)要探討下。

早在上世紀(jì)六十年代初期，包括錢學(xué)森在內(nèi)的航天科學(xué)家就已經(jīng)通過嚴(yán)密論證，指出火箭回收復(fù)用可以極大提高周轉(zhuǎn)效率、降低成本。但由于計(jì)算能力、材料、氣動(dòng)、控制、工藝乃至決策、管理等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展暫未達(dá)到理想水平，工程實(shí)踐并非一帆風(fēng)順。例如上世紀(jì)70年代美國研制的航天飛機(jī)，設(shè)計(jì)上僅外部主燃料箱為一次性產(chǎn)品、不拋棄任何發(fā)動(dòng)機(jī)，其復(fù)用程度在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)入軌的航天器當(dāng)中，至今無人能出其右，但由于研制方嚴(yán)重低估了產(chǎn)品綜合成本，項(xiàng)目入不敷出，最終航天飛機(jī)于2011年在剩余大量理論壽命的情況下退役。

2010年之后，火箭回收復(fù)用技術(shù)終于取得實(shí)用性突破。例如美國SpaceX主力載具獵鷹9號(hào)火箭，其一級(jí)在完成任務(wù)后，可以調(diào)整姿態(tài)并數(shù)次點(diǎn)火，以垂直姿態(tài)在陸地或者拖船上著陸，并經(jīng)檢修后復(fù)用。截至目前，單個(gè)箭體已經(jīng)創(chuàng)造飛行21次記錄。SpaceX憑借僅僅十余枚一級(jí)箭體，在2023年進(jìn)行了96次入軌發(fā)射，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全球任何其它國家或者商業(yè)航天實(shí)體；而運(yùn)力近20噸的單箭報(bào)價(jià)降低至5000余萬美元，幾乎全球最低。除了SpaceX以外，美國藍(lán)色起源公司也實(shí)現(xiàn)了飛行高度100公里的箭體復(fù)用，用于服務(wù)新謝潑德號(hào)亞軌道載人飛船。

箭體垂直回收是控制、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、氣動(dòng)、導(dǎo)航、通信等不同專業(yè)深度融合、密切關(guān)聯(lián)、牽一發(fā)而動(dòng)全身的技術(shù)，且最近10年才得到全面發(fā)展，全球技術(shù)積累較少。為了以較低成本、從易到難、由主到次地驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)，SpaceX于2012年首飛了名為“蚱蜢”的垂直起降驗(yàn)證箭，由燃料貯箱、1臺(tái)獵鷹9號(hào)火箭使用的梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)以及固定式著陸支腿組成。

2012年至2013年在新墨西哥州試驗(yàn)場(chǎng)，該箭先后進(jìn)行了8次成功的垂直起降試驗(yàn)，飛行高度從1.8米逐漸遞增至744米。隨后，SpaceX又研制了換用真實(shí)箭體、發(fā)動(dòng)機(jī)增加到3臺(tái)并改用可收放式著陸支腿的獵鷹9R Dev1驗(yàn)證箭，并于2014年進(jìn)行了4次試飛。受益于這些前期測(cè)試， SpaceX終于在2015年12月21日首次成功回收一級(jí)箭體。

參考SpaceX的做法，我國企業(yè)也選擇了“由驗(yàn)證箭起步”的技術(shù)路線，并且出手即不凡。以6月23日試驗(yàn)為例，航天八院產(chǎn)品首飛即跳過“蚱蜢”階段直達(dá)獵鷹9R Dev1水平，這也是 “為2025年如期實(shí)現(xiàn)4米級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭首飛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)”的信心由來。今年內(nèi)，試驗(yàn)箭還計(jì)劃開展75公里高度、模擬一級(jí)箭體全程飛行的測(cè)試，從而完成正式嘗試前的“臨門一腳”。

除了“國家隊(duì)”以外，我國民營(yíng)企業(yè)的進(jìn)展也堪稱神速。2024年1月19日，藍(lán)箭航天的朱雀三號(hào)VTVL-1可重復(fù)使用垂直起降回收驗(yàn)證火箭首次試飛即成功完成300米級(jí)別飛行，達(dá)到SpaceX“蚱蜢”第六次試驗(yàn)水平（藍(lán)箭也計(jì)劃于近期開展10公里級(jí)別試驗(yàn)）。

此外，航天科工、翎客航天、深藍(lán)航天、星際榮耀等企業(yè)也已經(jīng)開展可回收火箭試驗(yàn)。百花齊放、百舸爭(zhēng)流。我國可重復(fù)使用火箭研制已經(jīng)呈現(xiàn)出起點(diǎn)高、進(jìn)步快、企業(yè)多樣的特點(diǎn)，為早日投入實(shí)用打下了良好基礎(chǔ)，而目前除了中美，尚無其它國家開展過百米級(jí)別的火箭垂直起降試驗(yàn)。技術(shù)以外，6月23日的試驗(yàn)還有一個(gè)不可忽略的話題點(diǎn)：“國民合作”?；鸺珊教彀嗽鹤タ傃兄疲玫?0噸推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)來自民營(yíng)企業(yè)九州云箭。

“70噸”處于可復(fù)用火箭的理想推力區(qū)間，“液氧甲烷”則是國際公認(rèn)的未來清潔可復(fù)用燃料。航天八院基于性能、時(shí)間、價(jià)格等因素考慮，選擇了外采關(guān)鍵產(chǎn)品，并最終取得良好效果，體現(xiàn)了效率優(yōu)先的商業(yè)航天策略。這種自研與外采相結(jié)合的研發(fā)模式，并不符合SpaceX倡導(dǎo)的“生產(chǎn)鏈條自主化”。后者誕生的背景，是馬斯克對(duì)生產(chǎn)效率的極致追求與美國傳統(tǒng)航天昂貴、低效生產(chǎn)模式之間的矛盾，只有SpaceX“擼起袖子自己干”方能有效化解。但在我國，經(jīng)過多年競(jìng)爭(zhēng)迭代，已經(jīng)涌現(xiàn)出一批比較優(yōu)質(zhì)的配套企業(yè)。

以商用可重復(fù)使用液體發(fā)動(dòng)機(jī)為例，目前有能力向市場(chǎng)提供推力處于“黃金區(qū)間”（50-100噸）產(chǎn)品的企業(yè)，就包括航天科技集團(tuán)、航天科工集團(tuán)、藍(lán)箭航天、天兵科技、星河動(dòng)力、九州云箭、星際榮耀等至少7家國企和民企（排名不分先后），覆蓋液氧煤油和液氧甲烷兩條主流路線，且已有成交實(shí)踐案例。例如，2023年4月，民營(yíng)天兵科技研制的天龍二號(hào)火箭首飛取得圓滿成功，一舉打破了自SpaceX起全球7家新興航天企業(yè)首發(fā)液體火箭均失利的魔咒，這款火箭所使用的便是由航天科技集團(tuán)研制的液發(fā)102發(fā)動(dòng)機(jī)；而剛剛過去的6.23試驗(yàn)，則是“國家隊(duì)”首次向民企采購發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

自主研制與集成研制成功結(jié)合的案例，說明我國商業(yè)航天或許存在有別于馬斯克的其它發(fā)展路徑，即也能像手機(jī)、汽車等其它行業(yè)那樣，充分利用國家工業(yè)門類齊全的優(yōu)勢(shì)，通過有序分工與協(xié)作，在最大范圍（甚至超出行業(yè)）實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈優(yōu)化、分享發(fā)展成果。畢竟“像馬斯克”不是目的，效率才是。相信隨著行業(yè)深入發(fā)展，我國商業(yè)航天一定會(huì)摸索出更適合國情的路線。