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火箭回收 美国廉价航天时代来临?(图)

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发表于 2016-1-2 18:02:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
廉价航天是人类的梦想,但要实现这一梦想却十分艰难,关键是航天飞行器能否安全重复利用?尽管美国民营航天公司SpaceX于近日成功回收了名为猎鹰9号的火箭,创造了人类的历史,但火箭能否重复利用,这还是个大问号。无论这个问题的答案是什么,美国民营航天公司SpaceX已经改写了人类的航天史,或许还能取得更大的成就。

中国长征五号火箭(图片来源:新浪微博)
据《光明日报》报道,美国民营航天公司SpaceX于近日成功回收了名为猎鹰9号的火箭。尽管这是人类第一次实现一级火箭可垂直回收,猎鹰9号也被冠以“创造历史”“戏剧性”等赞叹之词,人们甚至寄望这次回收能终结昂贵的航天发射,使普通人也可承受飞上太空的费用。然而,也有人认为这种火箭历经了高温摩擦等耗损,是否可重复利用还未可知,廉价航天时代仍然遥远。
将成熟技术发挥到极致
美国东部时间2015年12月21日20:29,在佛罗里达州,猎鹰9号火箭成功发射,飞行至预定高度,其尾部的一级火箭与前端分离,并在大约10分钟后返回并平稳降落在发射台以南9.65km处。前端则继续飞行至200km的高空,将11个通信卫星送入轨道。这是人类第一次实现一级火箭垂直回收。
据《国际太空》杂志执行主编庞之浩分析,在航天领域,回收技术大致可分为4类,降落伞垂直下降式,有动力滑翔飞行式、无动力滑翔飞行式和动力反推垂直下降式。举例来说,神舟系列载人飞船降落时即采用降落伞式,俄罗斯的暴风雪号航天飞机采用有动力滑翔式,美国的航天飞机采用无动力滑翔式,而此次的猎鹰9号则采用了反推发动机式回收的方式,即利用火箭发动机产生的反向推动力,再借助姿态控制技术,推动火箭从高空返回地面。
通常情况下,火箭都是一次性使用的,发射后并不进行回收,火箭会坠入大海,下次发射需再造一枚火箭。但猎鹰9号成功回收在技术上确有惊艳之处。庞之浩认为,猎鹰9号回收的难点在于,将火箭这种形态细长的飞行器以垂直于地面的姿态成功回收。这原理类似于竖立铅笔、粉笔这类物体,平衡点是很难寻找的。火箭更要克服高空、高速强气动力条件下的姿态控制,点火与反推,以及落地时的精度控制等问题。SpaceX公司曾将此过程比喻为“在狂风中使一把扫帚竖立在手掌上。”
实际上,猎鹰9号此次成功回收,在单项技术上并未有突破性创新。首先,其所使用的动力反推垂直下降回收方式并非首次使用。中国在2014年发射嫦娥3号月球探测器,落月时也启动了反推发动机,使之产生与飞行方向相反的动力来降低降落速度,从而实现安全落月。其次,猎鹰9号所使用的发动机也是美国当年阿波罗登月计划留下的“遗产”——梅林发动机,这种以液氧煤油为燃料的发动机技术在美国已经非常成熟,在多种型号的火箭上均有使用。另外猎鹰9号为了实现垂直回收形态细长的火箭,使用了栅格翼技术,这种技术常用于飞行器的姿态控制,中国的神舟系列飞船运载火箭逃逸器,俄SS-21战术弹道导弹和R77空空导弹都有所使用。
猎鹰9号可以说是用成熟航天工业技术制造而成,单个技术并无创新之处,但将成熟技术组合起来,将各部分性能发挥到极致,从而在无人曾涉足过的领域取得成功,这才是SpaceX公司此次回收猎鹰9号令人惊艳之处。
能否降低成本仍不确定
可以说回收并重复使用航天运载工具一直是人类的梦想,因为这是实现低成本大规模应用的希望所在。猎鹰9号此次成功实现回收,也有人称这将颠覆整个商业航天产业,认为如果火箭可以回收利用,之后每次发射将不需要重新建造昂贵复杂的火箭,SpaceX公司每次发射费用为6,000万美元,实现火箭回收利用技术后,发射价格有望降低至每次600万美元,而如果SpaceX公司能够定期回收并重复利用火箭,就有可能迫使整个民营航天行业展开变革。甚至有人认为猎鹰9号火箭的制造成本为1,600万美元,但燃油成本仅为20万美元,可重复利用后,去太空溜一圈,可能只要出个燃油费就成。
然而,在航天领域,回收并非新鲜事,但重复使用的却寥寥无几。据庞之浩介绍,美俄的航天飞机、各国的载人飞行器、返回式卫星都是可回收航天器,其中,美国的航天飞机共发射135架次,成功回收133架次;中国的“神舟”系列载人飞船发射10艘,10艘均成功回收;中国也曾发射23颗返回式卫星,成功回收22颗。
但除了美国的航天飞机以外,其他并未重复使用。美国的航天飞机可谓可回收并重复使用的杰出航天器,但重复使用的经济代价太过高昂,返回准备下一次任务的检修价格几乎能赶上再造一架的价格,其安全性还因导致14名航天员丧生的两次重大事故而遭到质疑,因而并未达到重复使用所期望的效果。可见,仅回收并不能降低成本,安全高效的重复利用,才是降低成本的关键。
猎鹰9号此次虽然实现了回收,但能不能安全高效地重复利用,并真正降低成本却是一个疑问。实际上,火箭在发射、进入大气层和着陆过程中都会受到巨大的震动,此前就有猎鹰火箭在回收落地时因震动爆炸的情况发生,而穿越大气层时还会因摩擦而发生高温烧灼,如此一来,火箭内部会受到何种影响,整修需要多久的时间,需要多少经费,如今还不得而知。对此,美国专家也心存疑虑,
据航天知名专家黄志澄介绍,尽管美国国家航空航天局前局长麦克·格里芬盛赞猎鹰9号,称其为“这是奇妙的飞行试验,这是重要的第一步。”但同时也表示,“回收后还要检查猎鹰9号经受飞行考验后的能力,并需经过复飞合格验收测试来验证和获得复飞的信心。”美国航天史学家、乔治·华盛顿大学航天政策研究所的创始人约翰·劳格斯登也指出:“可重复性并降低成本的关键,将是快速的周转时间和低廉的整修费用,而这将取决于回收级在发射、进入大气层和着陆过程中受到何种影响。成功着陆非常重要,但还要看猎鹰9号需要什么样的整修才能重新发射,而能不能恢复并重新发射是一个大问题。”显然,有了美国航天飞机的前车之鉴,专家们对于能否复飞,仍然态度谨慎,人们热切期盼的廉价航天时代,是否能很快到来,仍有待验证。
商业资本进军航天领域的杰作
暂且不论猎鹰9号回收后能否重复利用,从而将发射成本降低至前所未有的程度。即便不回收利用,猎鹰9号目前单次发射费用5000万—6000万美元的发射费用已极大地降低了低空轨道的发射费用。
同时,中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红认为,猎鹰9号的创新之处还在于独到的载荷分布。周炳红表示,猎鹰9号二级火箭发动机只占到结构重量的3.8%,较其他火箭少许多,这意味着更轻的自重,从而可以运载更重的航天器。另外,同等载荷下,猎鹰9号使用的发动机数量少,火箭整体结构简单,这有利于火箭制造实现“极致的模块化”,也会降低火箭的制造成本。
除了经济方面的考虑,猎鹰9号此次回收还有另外一个重要目的,那就是为美国探测火星进行技术探索和储备。这一点,麦克·格里芬一语中的,他说:“从纯技术的角度看,猎鹰9号一级火箭成功重返大气层和动力落地,已经是突破性成就,它演示了超音速逆向推进,即在超音速飞行中重新启动发动机,并使用它飞回来,这对未来大而重的载荷在火星上着陆是非常重要的。”
无论如何,SpaceX公司的成功是商业资本在航天领域运用的杰出成就,这种成功与美国的航天战略调整密不可分。2010年,美国对在月球建立基地,进而探测火星的“星座计划”进行调整,提出了“21世纪太空探索战略”,其目标是进行“月球以远”的载人深空探索,计划在2025年实现小行星载人探索任务,在21世纪30年代中期实现进入火星轨道的载人飞行,而后进行载人登录火星。可以看出,美国已将航天探测的重点转移至更远的太空。黄志澄认为,这一方面是因为掌握近地轨道技术的国家日渐增多,美国优势已不明显,需要寻找新的技术制高点,另一方面,在近地轨道领域,尽管不想放弃已有的空间站等设施,但高昂的维护经费使得美国不堪重负,寻求更加经济可行的方式迫在眉睫。
对此,尽管美国国家航空航天局无计可施,但民营资本却雄心勃勃。 SpaceX公司创始人艾伦·马斯克推出的“廉价航天”理念,直击航天领域成本高昂这一痛点,同时,他提出的太空旅游等运作方式,使得单纯依赖政府经费支持的航天项目,有可能实现商业化运营,从而减轻政府的财政负担。从美国政府的角度来说,既然低空轨道已不是美国航天计划的重点,何不将其转移给民营资本运营,从而既可对该领域持续占领,又可集中精力、经费开展“月球以远”的深空探测项目。这也是SpaceX公司既可获得美国政府经费支持,又可从美国国家航空航天局获得技术支持,在航天领域得以异军突起的原因。
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[来源:光明日报]
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