絕不能丟的「蛋糕」：可重複使用火箭

背 景

目前，我國正在研製新一代具備可回收能力的運載火箭。各航天強國也在採取不同技術途徑研製可重複使用火箭，力求以更低的發射成本搶佔商業發射市場。

從「一次」到「多次」的跨越

21世紀以來，世界航天活動持續旺盛，全球年航天發射近百次。一次性運載火箭是承擔航天發射任務的主要運載工具。毫不誇張的說，它支撐起了世界航天事業的蓬勃發展。然而實現可重複使用運載火箭一直是航天人的夢想，因為讓航天器進入太空的成本依然是整個航天活動成本中很大的一塊。

在運載火箭的發射費用中，硬體成本佔總發射成本的75%-80%，發射成本主要是一次使用過後即被拋棄的火箭發動機等技術含量高的部件，因此造成了航天發射成本居高不下。

如果能夠實現運載火箭的可重複使用，也就是說火箭每次飛行之後只需要像飛機那樣重新加滿油就能再次直衝雲霄，顯然是能夠大幅度降低航天發射總成本的。

讓我們把範圍擴大到可重複使用運載器，它是指能夠重複使用，可利用自身主動力將人員或有效載荷送入預定軌道，並能攜帶人員或有效載荷，從軌道返回地面的一種航天運輸工具。從該定義中可以看出，可重複使用運載器的最大優勢是可顯著降低航天運輸成本，其維護也較為簡單，因此可大大提高發射頻率。

未來，當技術水平達到一定程度後，這種可重複使用的運載器就可以像飛機一樣航班化地進行天地往返運輸。

遙想當年的輝煌與落幕

太空梭是人類投入實際使用的第一款可重複使用運載器，它是1972年1月5日由時任美國總統尼克松批准開展研製的項目，於1981年4月12日執行了首次太空任務，在許多方面都表現出令人印象深刻的創新特性，堪稱技術奇蹟，是航天技術發展史上的一個里程碑。

太空梭是一種垂直起飛水平降落的載人航天器。它由軌道器、固體燃料助推火箭和外儲箱三大部分組成。固體燃料助推火箭回收後經過修理可重複使用20次；外儲箱與軌道器分離後進入大氣層墜毀，是太空梭組件中唯一不能回收的部分；軌道器完成飛行任務後，在預定跑道水平著陸，可重複使用100次。但是，由於太空梭系統過於複雜，技術和系統維護需要大量人力物力，致使其單次發射費用要遠遠超過一次性運載火箭。

另外，太空梭兼具載人與載貨的設計，這為日後「挑戰者號」和「哥倫比亞號」的悲劇埋下了伏筆，尤其是「哥倫比亞號」的失事令當時的太空梭備受爭議。

最終，太空梭被迫於2011年7月21日全部退役，可重複使用運載器的研製也因此戛然而止了。

商業發射引爆新熱潮

太空梭通過可重複使用降低發射成本慘遭失敗的案例，一度令世界各國對可重複使用航天運載器的概念產生了極大的懷疑。

然而，以SpaceX公司為代表的商業航天公司重新扛起了可重複使用航天運載器的大旗，實現了獵鷹9號火箭一級的可重複使用目標，並且利用可重複使用帶來的成本優勢，搶奪了商業衛星發射市場的不少份額。

在SpaceX公司的引領下，世界各國開始有一大批航天機構或企業打起了利用可重複使用航天運載器來降低發射費用，進而維護自身衛星發射市場份額的算盤。

其中一些比較知名的公司有藍色起源公司、波音公司和洛克希德·馬丁公司以及歐洲的阿里安集團。這些「明星火箭公司」正在著手開發可重複使用航天運載器，並進行可重複使用的火箭發動機的研製。

「殊途同歸」的重複使用

目前，實現運載火箭部分可重複使用的技術途徑主要有：採用無控降落傘（或可控翼傘）回收、有翼飛回式水平降落回收、利用火箭自身動力系統垂直起降回收3種。

無控降落傘（或可控翼傘）回收其實非常好理解，僅在火箭助推器上安裝可彈出降落傘，回收也系統相對獨立。還有一種辦法是在箭體著陸前，配合反推發動機、氣囊共同使用，實現箭體以接近零速度軟著陸，或通過直升機抓取實現回收，這樣就可以避免箭體著陸瞬間受到衝擊。

採用有翼飛回式水平降落回收的時候，火箭再入飛回過程可控性較好，降落地點靈活，但需要在箭體加裝機翼，對箭體結構及火箭上升段氣動特性有不利的影響。若實現有動力飛行的話，還需要另外安裝輔助的航空發動機系統，技術難度大。

利用火箭自身動力系統垂直起降回收的優點是，可以確保火箭的結構安全、定點降落，不會對箭體造成較大損傷，便於後續重複使用，同時技術難度比有翼飛回式低，是比較「受寵」的回收方案。

絕不能丟的「蛋糕」

世界各國的航天機構之所以狠抓「重複使用」不鬆手是因為，他們一旦鬆手，未來可能會喪失大塊商業發射服務市場，進而失去運載火箭工業的基礎，這對於任何一個國家來說都是難以接受的。

作為降低航天發射成本的重要途徑，可重複使用航天運載器已經成為各航天大國競相研發的重點。2016年我國發布的航天白皮書也指出，未來中國將開展低成本運載火箭，新型上面級、天地往返可重複使用運輸系統等技術研究。

可以預見，通過不懈努力，我國一定能夠實現運載火箭的可重複使用，實現快速可靠低成本進入空間的遠大理想。

來源：中國航天報

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