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电子号火箭回收“空接”换“海捞”初获成功

发布时间:2023-08-28 文章来源:本站原创 阅读量:98

7月18日,火箭实验室公司的电子号小型运载火箭执行了第39次发射。此次发射中,火箭成功将7颗小卫星送入太阳同步轨道。但本次任务中最受关注的并不是载荷,而是该公司首次采用“箭体伞降、缓降落海、船只打捞”的新方案尝试回收火箭一级。


电子号火箭点火起飞

回收方案大改

“电子号”是一款高18米、直径1.2米、起飞重量12.5吨、低轨运力仅有300公斤的两级小型运载火箭。该火箭原始设计是传统的一次性运载火箭,然而受近年来火箭回收风潮的影响,火箭实验室于2019年决定采用“降落伞缓降+直升机空中捕获”的方式进行回收。由于“电子号”是液体运载火箭,采用碳纤维复合材料贮箱,不同于航天飞机时代曾采用伞降落海回收的钢壳固体助推器,落海的冲击和水中的盐分都有可能对“电子号”的贮箱、发动机和航电设备造成损伤和腐蚀。因此火箭实验室经过评估后,一直力图从空中捕获火箭,从而减少复用翻修的工作量。

此后,经过为期3年的再入防热、伞降控制、直升机跟踪等各项实验后,火箭实验室在2022年,两次尝试使用直升机机体下方的专用捕获钩“拦截”箭体。2022年5月的首次试验中,直升机成功捕获箭体,之后应将箭体投放至专用回收船上,但捕获后直升机机组发现下方悬吊的箭体与之前模拟箭体重量不同,安全起见机组只能切断绳索,让箭体坠落水面,试验宣告失败。2022年11月,第二次试验中箭体遥测信号丢失,安全起见火箭实验室只得再次放弃回收,试验再次失败。

两次失败的试验结果,加上对落海后打捞箭体的评估分析,2023年火箭实验室毅然决定直接放弃高风险的空接环节,直接在此次发射中改为尝试“伞降缓落+海上打捞”的新回收模式。此次发射的火箭升空约两分半后,一二级按发射程序正常分离,二子级点火后继续正常执行任务。而一级关机分离后开始下降,首先打开引导伞稳定箭体姿态,随后降落伞打开,减缓箭体下落速度,同时携带的信标系统持续发送箭体坐标。

箭体平稳落水后,专用回收船将其成功打捞,试验宣布成功。火箭实验室表示,打捞后的火箭一级状态良好,不过尚不能给出实现重复使用的时间表,在后续进行若干次相关试验后,有望在今年晚些时候先行实现发动机的回收复用。

空接方案历史悠久

早在冷战时期,美国国家侦察局研发锁眼系列侦察卫星,限于当时的技术水平,“锁眼”早期型号的遥感图像只能储存在特制胶卷中,并放置在小型返回舱内,拍满后返回舱与卫星分离并再入大气层,返回舱打开降落伞后即由改造的固定翼飞机在空中捕获。根据历史数据,空中捕获方案受制于落区天气、飞行员操作水平等不可控因素影响,回收成功率不足70%。而电子号火箭一级无论是体积、重量都高于锁眼返回舱,其回收难度更高,所以火箭实验室试验失败也是情理之中。

“锁眼”返回舱的“教训”在前,火箭实验室为何还采用这种方案呢?业界普遍认为,这是火箭自身体量和技术水平掣肘下的无奈之举。若采用猎鹰9火箭垂直起降方案,不仅需要增设多种设备,还需要预留回收反推用推进剂,使有效运力骤减。所以,火箭实验室不得不另辟蹊径。

不仅如此,“电子号”采用电池驱动的电泵循环,而且为减轻死重,采用了上升段电池可抛的设计,如果改为垂直起降方案,发动机就必须重复启动并维持工作。为保证反推时发动机的稳定工作,贮箱也需要额外的推进剂沉底改造,这就不得不对“电子号”的原设计进行大刀阔斧的修改。这些变更不仅有可能拖慢“电子号”的发射频度,还有可能影响型号成功率。根据消息,“电子号”配备伞降回收设备将导致10~15%的有效运力损失,运力下降幅度确实少于垂直起降。

2022年两次失败的空中捕获尝试后,火箭实验室重新评估了其风险和难度,尤其是空中捕获失败落海的火箭经过打捞和评估后,公司认为落海的火箭状态也可以接受,甚至声称部分零部件已具备重复使用的条件。因此2023年3月,火箭实验室明确表示将放弃直升机空中捕获的方案。他们还为火箭回收船增配了新的起重机和平台,以减少将火箭从海面提升时受损的可能。


 火箭实验室通过伞降溅落成功回收了火箭一级

垂降并行研发

除了回收船的改进,火箭实验室还在箭体结构中加入了额外的防水材料,并强化了航电舱和发动机的密封结构。公司认为,结合海况和任务性质,仅有50%的发射可以开展空中捕获,而改为落海打捞后则可提升至70%。公司表示,虽然落海回收会导致部分零部件无法复用,但是对比直升机空中捕获的费用和成本,两者的经济性基本持平。

此外,公司后续将根据任务的性质和客户要求,仅在部分任务中使用复用火箭。这一说法与2017年猎鹰9火箭刚开始复用发射时类似,但事实上随着回收火箭可靠性的不断累积,SpaceX公司逐步扩大复用火箭的适用范围,现已在军用、商业、载人任务中普及使用复用火箭。

虽然火箭实验室在伞降回收模式上渐入佳境,但并不代表他们要在伞降方案上“一条路走到黑”。2022年,火箭实验室宣布研发名为“中子号”的新型火箭,该火箭高43米,直径7米,起飞重量480吨,最新的近地轨道运力为13吨。其体量显然远超现役的电子号火箭,随之而来的就是“中子号”进行伞降回收的难度陡增,因此公司在发布会上明确表示,“中子号”采用类似猎鹰9火箭的垂直起降方案。

但为体现差异化,火箭实验室设计了一个超长的一级箭体,整流罩直接设置在一级顶端,形成了“罩箭一体”的方案,而火箭二子级和载荷则被整体包裹在超长整流罩内,变成了类似“半人马”的“罩内上面级”。如此一来,火箭一级和整流罩就可以一次性整体降落在回收平台上,而不必分别实施回收。2023年,火箭实验室公开展示了多项“中子号”的研制进展,可见垂直起降方案也在研发中。

总的来讲,“电子号”回收方式的这轮优化迭代不失为一次火箭复用的有益尝试,正所谓“一枝独秀不是春,百花齐放春满园”,越来越多的火箭回收方式使复用理念得到了前所未有的普及。但也应看到,伞降回收方案对火箭自身规模、海况、安全性的限制,使其短期难以撼动已经成熟的垂直起降回收方案。

不过,常言道“存在即合理”,这种方式也有投入少、技术门槛低的显著优点。理论上伞降回收仅需伞舱、定位信标和一艘回收船即可开展,虽然落海导致的翻修和密封工作量骤增,但该方法仍不失为同类小型运载火箭降本增效的另一蹊径。(作者:田丰 图片来源:火箭实验室 把关专家:中国航天科技集团科技委副主任 江帆)