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可回收式运载火箭有多牛?

科普中国2016-09-22 23:08我要吐槽

“猎鹰”9号(Falcon 9)运载火箭

 

截止目前,大部分运载火箭都是一次性使用的。在星-箭系统发射升空后,运载火箭逐级烧尽脱落,它们在重返大气层时与空气剧烈摩擦而熔化、燃烧,最后与地面猛烈撞击,成为一堆金属残片。而设计的可回收式运载火箭不仅可以再次安全进入大气层并不被烧毁,还可以垂直回到发射基地或者海上降落平台。这样,再结合长工作寿命的火箭发动机设计,运载火箭的箭体就可以多次重复使用。

一个可以完全重复使用,并能在极短时间内再次进入发射状态的火箭,是从本质上减少航天发射费用的关键。发射费用大部分来源于火箭的建造,因为火箭的质量远远大于它搭载的卫星的质量。一枚能降10吨左右的载荷送入近地轨道的运载火箭全重约500吨,其中燃料重约450吨,其余则是运载火箭本身的结构质量。因此,如果这一部分设备如同商业航空中的客机一样可以多次使用,并且使它重新投入使用的花费控制在一定范围内,航天发射的费用就将会下降1~2个数量级。

在20世纪末,各航天大国就探讨过可重复使用的回收式运载火箭方案,其中美国航空航天局“三角快帆”就在这方面进行了初步的技术验证:它既是一种单级入轨航天器,也是一种可重复使用的单级运载火箭。但使回收式运载火箭接近实用化,是美国太空探索技术公司(SpaceX)于近年做的一系列尝试。

 

改进后具备可回收能力的“猎鹰”9号在进行近地发射-回收测试

 

为了使运载火箭能够安全降落到地面并不发生损伤,关键在于火箭的再次开机。它能使火箭非自由落体坠落,而是具备可控制速度和航迹的能力。SpaceX研发的一级火箭再次开机技术,首先需要把二级火箭和负载释放到预定轨道后,再启动安全返回地球的程序。在考虑如何让火箭穿越大气层时,采取了让其重新进入第一阶段状态的方案,也就是火箭发射时航迹相同、方向相反,这样就能较为简单地对火箭进行定位,引导其精确地降落。

目前,SpaceX的回收式运载火箭是降落在海中一艘巨型漂浮平台上。即使试验失败,运载火箭也能够掉落在附近的海水中,不会粉碎性解体,有助于设计师们找到试验失败的原因,从而对火箭系统进行改进。

2014年,SpaceX 曾两次回收降落在太平洋上的“猎鹰”9号(Falcon 9)的一级火箭。依靠两次试验中获得的经验,SpaceX在2015年1月执行了“读指令”的行动,尝试将火箭精确降落在海上降落平台上。火箭虽然成功降落,但着陆的冲击十分巨大。接下来的一个月,SpaceX进行了第二次尝试,这次火箭入水时,落入了离既定目标不到10米的范围内,这标志着火箭回收的精度远远超出了原先的预期。但是,接下来的试验又出现了其他较大的失误,要全部解决回收的关键问题,还有许多事情要做。

2015年4月,“猎鹰”9号的一级火箭第一次降落在了海上平台上,离目标不到10米。但是,侧向的速度使火箭倾斜导致火箭翻倒,回收行动失败。

 

“猎鹰”9降落瞬间

 

在充足的资金支持下,从2015年起,SpaceX按照每个月发射一次的频率,不断发射试验火箭。除试验“猎鹰”9号的回收外,2014年SpaceX还开展了“猎鹰”9R(Falcon 9R)发展测试型飞行器的测试,参与测试的是“猎鹰”9R的一个经过改进的火箭原型。“猎鹰”9R在德克萨斯州的麦格雷戈连续完成了多次测试,通过在德克萨斯州的麦格雷戈进行的可回收性测试,SpaceX向着回收式运载火箭的目标迈出了一大步,在2020年左右,这一技术将有可能越过试验门槛,具备初步的使用价值。

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作者:科普中国责任编辑:天极科普君)
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