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出品：科普中國

制作：川陀太空（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

近日，我國自主研發(fā)的朱雀三號(hào)可重復(fù)使用垂直回收試驗(yàn)箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成10公里級(jí)垂直起降返回飛行試驗(yàn)，這是自2024年1月，朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭成功完成測(cè)試后又一個(gè)里程碑。

朱雀三號(hào)是我國民營運(yùn)載火箭企業(yè)藍(lán)箭航天的產(chǎn)品，是朱雀系列火箭的最新型號(hào)。藍(lán)箭航天在2018年開始測(cè)試朱雀一號(hào)，發(fā)展到如今的朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭，這標(biāo)志著我國商業(yè)航天在可重復(fù)使用運(yùn)載火箭技術(shù)上取得重大突破，將來的發(fā)展方向是研發(fā)出可重復(fù)使用的高運(yùn)力低成本運(yùn)載火箭。

藍(lán)箭VTVL-1火箭進(jìn)行十公里高度回收試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)圖像

（圖片來源：藍(lán)箭航天）

藍(lán)箭航天朱雀三號(hào)大型可重復(fù)使用火箭垂直返回技術(shù)的VTVL-1試驗(yàn)箭

（圖片來源：藍(lán)箭航天）

為什么要研發(fā)可重復(fù)使用火箭

可重復(fù)使用火箭是指能夠部分或者全部回收火箭部件，并重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)。航天飛機(jī)其實(shí)就是一種可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)，但它的問題在于無法低成本使用。

引用美國宇航局艾姆斯研究中心在2018年的會(huì)議數(shù)據(jù)，航天飛機(jī)將27.5噸的載荷送入近地軌道，成本約15億美元，每公斤約5.45萬美元，而商業(yè)發(fā)射所使用的獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭，將22.8噸載荷送入近地軌道，成本為6200萬美元，每公斤約2720美元。顯然航天飛機(jī)雖然也是可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)，但是發(fā)射成本太高，最終也要被淘汰。

航天飛機(jī)計(jì)劃還涉及隔熱裝置安全性的問題，導(dǎo)致美國宇航局不得不在發(fā)射一架航天飛機(jī)的時(shí)候，再準(zhǔn)備另一架航天飛機(jī)也矗立在另一個(gè)發(fā)射工位上，隨時(shí)準(zhǔn)備救援，進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)射成本增加。

兩架航天飛機(jī)同時(shí)矗立發(fā)射工位，一架處于待命救援狀態(tài)，導(dǎo)致航天飛機(jī)雖然是可重復(fù)使用發(fā)射系統(tǒng)，但發(fā)射成本極高

（圖片來源：NASA）

當(dāng)下對(duì)可重復(fù)使用火箭的定義更加注重其低成本性，換而言之，如果無法實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)營，那么可重復(fù)使用的意義就蕩然無存。從運(yùn)載火箭的角度看，目前阻礙近地軌道大規(guī)模開發(fā)的瓶頸就是成本問題，這里的成本并不是火箭發(fā)射的總費(fèi)用，而是根據(jù)發(fā)射報(bào)價(jià)和載荷質(zhì)量折算出的每公斤載荷進(jìn)入軌道的成本。

美戰(zhàn)略與國際研究中心（CSIS）的數(shù)據(jù)顯示，目前獵鷹重型火箭進(jìn)入近地軌道的每公斤載荷成本是1500美元，低于歐洲阿麗亞娜5G運(yùn)載火箭的9167美元和質(zhì)子火箭的4320美元。

送入軌道的費(fèi)用降低了，那么大規(guī)模開發(fā)近地軌道或者近地軌道商業(yè)化的才有可能實(shí)現(xiàn)，這就是發(fā)展目前我們作為航天強(qiáng)國要發(fā)展可重復(fù)使用火箭的目標(biāo)。比如目前正在實(shí)施的千帆星座計(jì)劃、鴻鵠星座計(jì)劃、中國星網(wǎng)的GW星座計(jì)劃，都需要將上萬顆衛(wèi)星送入近地軌道，我國已經(jīng)在2020年4月，首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建的范疇。

發(fā)射成本的降低，也意味著我們可以將更多的衛(wèi)星送入軌道，如果是大推力可重復(fù)運(yùn)載火箭，那么我們打造空間站的成本也會(huì)更低，空間站的規(guī)模自然也會(huì)增加，功能也會(huì)得到進(jìn)一步延伸。

千帆衛(wèi)星星座已經(jīng)開始打造

（圖片來源：CCTV）

可重復(fù)使用火箭的原理是什么？

目前我國研發(fā)的可重復(fù)使用火箭側(cè)重于對(duì)第一級(jí)助推器的回收，從而實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用，回收的方式就是讓助推器完成使命后再垂直降落。要讓火箭第一級(jí)垂直降落，就需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴射方向，并控制火箭的姿態(tài)，在降落過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)通過向下噴射氣流，產(chǎn)生向上的反作用力，逐步控制第一級(jí)的下落速度，在距離地面一定高度時(shí)，展開著陸腿，最終實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)垂直軟著陸。

技術(shù)方面涉及發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)推力，第一級(jí)返回時(shí)姿態(tài)控制的相關(guān)技術(shù)等，同時(shí)還需要研發(fā)出能夠重復(fù)使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。目前可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)比較理想的動(dòng)力就是液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，我國朱雀二號(hào)使用的天鵲系列就是全球首枚成功入軌的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，200噸級(jí)YF215液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)也在研發(fā)中，這是我國第一款采用全流量分級(jí)燃燒循環(huán)技術(shù)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，有利于我國擴(kuò)展空間探索。

朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空

（圖片來源：新華社）

回收第一級(jí)助推器對(duì)火箭的可重復(fù)使用意義重大。可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)的成本較高，大約可占整個(gè)火箭發(fā)射成本的六至七成，主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)比較昂貴，獵鷹9號(hào)使用9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)按約200萬美元算，第一級(jí)助推器的成本僅發(fā)動(dòng)機(jī)一項(xiàng)就要花費(fèi)約1800萬美元，占一次發(fā)射6200萬美元報(bào)價(jià)的比重較大。

如果助推器數(shù)量較多，比如達(dá)到三個(gè)，那么這些助推器對(duì)發(fā)射成本的影響就更大了。同時(shí)，第一級(jí)助推器分離高度還沒有出大氣層，也適合回收，所涉及技術(shù)難度要遠(yuǎn)低于第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的回收。

朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭這次試飛，驗(yàn)證的就是垂直返回技術(shù)，一子級(jí)點(diǎn)火升空后到達(dá)了10公里的高度，之所以選擇這個(gè)高度，是因?yàn)?0公里有足夠的高度可以驗(yàn)證各種各樣的擾動(dòng)，一子級(jí)在下降過程中可通過格柵舵、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)垂直反推和重啟，對(duì)姿態(tài)進(jìn)行聯(lián)合控制，這些都是朱雀三號(hào)VTVL-1驗(yàn)證火箭要測(cè)試的內(nèi)容。

隨著火箭質(zhì)量的增加，著陸緩沖系統(tǒng)則是火箭軟著陸的關(guān)鍵，緩沖裝置將吸收箭體的動(dòng)能和勢(shì)能，確?；鸺趶?fù)雜條件下安全著陸。

朱雀三號(hào)VTVL-1火箭有何特點(diǎn)？

朱雀三號(hào)VTVL-1的定位是驗(yàn)證火箭，是以全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)建的工程樣機(jī)，藍(lán)箭航天計(jì)劃通過垂直起降回收試驗(yàn)，驗(yàn)證多項(xiàng)重復(fù)使用火箭的關(guān)鍵技術(shù)。

該試驗(yàn)箭為單級(jí)液氧甲烷火箭，箭體直徑3.35米，長度18.3米，起飛質(zhì)量約68噸，搭載80噸級(jí)天鵲-12改進(jìn)型液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，具有變推力調(diào)節(jié)和多次點(diǎn)火能力。箭體使用高強(qiáng)度不銹鋼箭體結(jié)構(gòu)，有4片柵格舵系統(tǒng)，軟著陸時(shí)，有3組著陸緩沖機(jī)構(gòu)。從外觀上可以確定，朱雀三號(hào)VTVL-1并非最終定型的型號(hào)，仍然以試驗(yàn)為主，全狀態(tài)的朱雀三號(hào)將在2025年首飛。

我國垂直降落技術(shù)展示

（圖片來源：新華網(wǎng)）

朱雀三號(hào)全狀態(tài)圖像

（圖片來源：藍(lán)箭航天）

驗(yàn)證火箭與可執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的火箭相比，外觀上可直觀分辨出。驗(yàn)證火箭并沒有整流罩，結(jié)構(gòu)簡單，只需滿足測(cè)試所需的硬件條件即可。

全狀態(tài)的朱雀三號(hào)將搭載9臺(tái)天鵲-12改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)，可將12至21噸的載荷送入近地軌道，在國際上處于領(lǐng)先地位，畢竟目前能夠研發(fā)可重復(fù)使用火箭的國家也只有中美，但是我國民營航天企業(yè)正在研發(fā)的可重復(fù)使用火箭種類多，除了朱雀三號(hào)外，還有雙曲線三號(hào)運(yùn)載火箭、天龍三號(hào)運(yùn)載火箭等等，形成一種百花齊放的競爭局面，對(duì)我國大規(guī)模開發(fā)近地軌道空間奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于可重復(fù)使用火箭對(duì)比的并非是運(yùn)載能力，所以評(píng)價(jià)一款可重復(fù)使用火箭的能力，并不是運(yùn)載能力越大越好，而是在一定條件下每公斤載荷進(jìn)入軌道的成本，顯然這個(gè)成本在不影響運(yùn)力的情況下越低，則代表這款火箭更加優(yōu)秀。從這個(gè)角度看，朱雀三號(hào)，還有天龍三號(hào)都有極強(qiáng)的低成本潛力。

參考文獻(xiàn)：

1.近期航天發(fā)射成本大幅降低

2.太空發(fā)射至低地球軌道：成本是多少？

3.星際穿梭：可回收火箭奇幻之旅

4.外媒關(guān)注：中國打造“千帆星座”邁出重要一步

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