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本帖最后由 晨枫 于 2026-7-10 13:24 编辑 / Y- o, l- v+ L4 X" A
J" N( n# s0 P8 X5 i$ x% H) d+ M中国成功进行了运载火箭第一级的网系回收,成为世界上第二个具有可复用火箭技术的国家。
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美国SpaceX是首先实现可复用技术的,从支腿式开始。5 K; D+ G3 @. R: l" D
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支腿式对地面回收场的要求不高,技术难点都在火箭上。首先需要坚固的安装点,其次支腿强度和抗冲击力要求非常高。据估计,支腿的重量代价约10%,很占用火箭的运载能力。可复用火箭里,支腿和安装点是不可复用的,但这相比于第一级的整体价格,还是划算的。
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6 \: P& F8 A7 W+ q$ W下落速度控制当然重要,但支腿式的技术难点在于精确控制下落姿态,偏离垂直可能立刻造成倾倒,接下来就是爆炸。SpaceX的早期试验里,没少这样的事故。偏离垂直可以是控制问题,也可以是地面风的干扰。在海上回收的话,还会因为波浪运动造成平台倾摇,造成同样的问题。
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+ L) D. b- N* c+ N支腿式的重心必须精确落在支腿之间,这带来很大的控制和实际应用环境的挑战,控制精度还有办法通过技术进步来解决,地面风还有可能通过顶端的侧推姿控火箭迅速回位到垂直状态,海浪影响就很难解决,简单恢复到垂直状态都不一定解决问题,还取决于支腿落地时的受力分布和平台倾摇。即使勉强落地,还有风浪中的火箭固定和不使倾倒的问题。1 H4 O" R3 c2 ^" H2 o
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第二代可复用技术是夹持式,中国人喜欢形象地称作“筷子夹”。1 j4 }2 M2 b. D
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! n+ {0 C2 x! \/ O! f: F高大的回收塔上有一对钳式夹具,待回收火箭落入夹具之间时,夹具动作,夹住火箭。实际上不是直接夹住箭体,而是架住顶部格栅翼和承力耳环,把火箭“拎着耳朵吊起来”。顶部格栅翼主要用于回收时的气动姿态控制,也用作夹持时的挂钩。. h+ t7 B9 @( a$ d
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与支腿式相比,箭上重量代价降低80%以上,非常可观。翻修、复用成本也大大降低。/ Y! M3 t1 ^9 }2 a( M
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与支架式相比,夹持式更加稳定。重心在夹持点之下,这是自然稳定的。最重要的是,夹持稳定对火箭姿态不敏感,偏离垂直也不打紧,“吊住”后,就自然稳定了。当然,回收塔的要求很高,火箭精确落入夹具之间的要求也很高。
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在珠海航展上,中国展示了改进的夹持式,单立柱的回收塔改为四立柱的回收架,双臂式夹具改为双天车式夹具$ W6 o$ z. s+ ]" U& c
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四立柱的回收架比单立柱的回收塔更加稳定,双天车的夹臂也比双臂式的夹具提供更大的容错余量,大大提高回收操作的可靠性和稳定性。四立柱避开火箭尾焰,也有利于降低材料和构造的要求,减轻重量、降低成本。单立柱就没法避开火箭尾焰了。实际上待回收火箭的进入姿态略微朝向回收塔,塔身按设计就是正好在尾焰的喷拂之中。- P7 n) N w5 T, S8 {" ~
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高大单立柱结构在大风中会有晃动,这也限制了回收操作的气象条件。相比之下,四立柱受到风力的影响小得多,只要火箭的抗阵风控制过关,风力限制小得多。/ t1 i/ Z) f0 ~3 W6 e
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双天车的缺点是天车臂比较长大,相对沉重,精确迅捷又足够轻柔的夹持动作实现不易。
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3 O7 S1 I$ k7 k6 s5 i' h与容易有的误解不同,网系回收不是像蹦极网那样硬接,而是用网系代替夹具,是四立柱夹持式的改进,不仅把顶部的双天车改成井字形网索,还在底部增加了一组井字形网索。上井字形网索的作用和双天车相同,只是有更多的承力点,分散应力,对火箭姿态的敏感性进一步降低。下井字形网索帮助迅速固定火箭,避免晃动。网索的重量也大大低于刚性夹具,动作轻柔、敏捷、可靠。上下井字形网索完成固定后,一直到回收船回到基地才解开,确保火箭在海上的途中安全。
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与刚性夹具相比,柔性网索具有弹性和缓冲装置,降低回收的冲击力,提高回收安全性,降低回收挂钩的强度要求。比SpaceX的夹持式的重量和翻修成本进一步降低。长征十号乙也采用格栅翼,中国拥有格栅翼技术,加装格栅翼用于回收下降过程的气动控制顺理成章,现在也用作夹持式的挂钩。
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$ k& m9 h# I; e% w& j8 Z回收船需要甲板宽大,特别稳定,船体分前后两段,中间由四立柱框架搭接,还解决了火箭尾焰对甲板的烧蚀问题。这样的船体复杂,但这完全在中国造船技术的范围之内,成本也可控。在未来,前后船体都采用双体船型也是可能的,这将是独特的四体船,更加适合四立柱的要求。
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' g; m7 q: F9 @与SpaceX的夹钳式相比,中国的网系式更加轻柔、可靠、稳定,海上回收也更安全。SpaceX的单立柱回收塔基本上不可能在海上应用,任何一点小风小浪就会导致不可接受的塔顶晃动,塔越高,晃动越大,基本上没法用于回收作业。SpaceX考虑过买二手钻井平台用于海上回收,最后还是放弃了。
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: ^" O/ R7 w. @8 o+ Q* f& m8 {4 c海上回收既受到海洋风浪的影响,又有主动避开不利气候的能力。火箭发射和回收不是随便哪里都可以的,发射需要尽量靠近赤道,以最大限度利用地球自转的影响,回收则受到入轨方向的限制。但中国已经具有运载火箭机动发射的能力,与机动回收相结合,将大大增加发射窗口,提高发射频度。这样未必能保证每一次发射都在最优条件下进行,有效载荷会吃点亏,但更加宽大可靠的发射窗口同样重要。6 Z# ~: ?. e0 g" n- k3 ]% V
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长征十号的发动机技术还是常规的,不及SpaceX的液氢液氧先进,但中国的液氢液氧火箭已经在路上了。尽快解决可复用技术有助于加快组建低成本“中国星链”,其意义是怎么说也不过分的。更加先进、可靠、耐气候的网系回收大有可为。 |
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