不用“筷子”，中國為何選擇一張網(wǎng)？

一枚完成發(fā)射任務(wù)的火箭一級，從高空掉頭返回。它沒有像美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹9號”那樣伸出四條著陸腿，也沒有飛向發(fā)射塔上的兩根“筷子”，而是落向海面上的一張網(wǎng)。

7月10日，長征十號乙運(yùn)載火箭在海南商業(yè)航天發(fā)射場升空。完成預(yù)定任務(wù)后，一子級垂直返回，在海上平臺(tái)成功回收。這是我國首次成功實(shí)施運(yùn)載火箭一子級可控回收，也是全球首次采用網(wǎng)系方式完成運(yùn)載火箭一級回收。

7月10日12時(shí)15分，長征十號乙運(yùn)載火箭在海南商業(yè)航天發(fā)射場發(fā)射升空，將衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道，火箭一二級分離約6分鐘后，一子級垂直返回，在海上回收平臺(tái)通過網(wǎng)系捕獲方式成功回收。圖/中新社記者 駱云飛 攝

幾乎同時(shí)，日本可回收火箭實(shí)驗(yàn)飛行器在低空測試中實(shí)現(xiàn)垂直著陸。此前，SpaceX已用發(fā)射塔機(jī)械臂捕獲返回的超級重型助推器，也就是所謂“筷子夾火箭”?；鸺绾位厥?，正在成為全球航天競爭發(fā)展的新焦點(diǎn)。

此次回收值得關(guān)注的，不只是一枚火箭被接住，還有中國為什么選擇回收網(wǎng)，它與“獵鷹9號”的著陸腿、SpaceX的“筷子夾火箭”有什么區(qū)別，以及一次成功回收距離真正降低發(fā)射成本還有多遠(yuǎn)。

圖為海南商業(yè)航天發(fā)射場測控大廳屏幕上，直播著長征十號乙運(yùn)載火箭一級在“領(lǐng)航者”號回收船上通過網(wǎng)系捕獲方式垂直回收的畫面。圖/中新社記者 駱云飛 攝

能省下多少重量？

長征十號乙的網(wǎng)系回收，建立在中國多年可控返回技術(shù)積累之上。2019年，長征二號丙開展柵格舵控制落區(qū)試驗(yàn)，使火箭一級從被動(dòng)墜落轉(zhuǎn)向可預(yù)測、可修正的再入飛行。同年，中國民營航天企業(yè)開展約300米級垂直起降飛行試驗(yàn)。此后，“星云-M”“雙曲線二號”驗(yàn)證箭、“朱雀三號”試驗(yàn)箭以及國家隊(duì)重復(fù)使用試驗(yàn)箭，先后進(jìn)行了不同高度的垂直起降驗(yàn)證。

這些項(xiàng)目并不屬于同一型號，不能被拼接成長征十號乙的直接研發(fā)歷史，但它們反映了中國航天企業(yè)在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流、姿態(tài)控制、返回制導(dǎo)和精準(zhǔn)著陸等方面的整體積累。2023—2024年，試驗(yàn)從低空“跳躍”推進(jìn)到公里級、十公里級飛行；長征十號系列一子級動(dòng)力系統(tǒng)試車，則進(jìn)一步驗(yàn)證了多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑供應(yīng)、箭體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的匹配。

網(wǎng)系回收是在這條技術(shù)鏈上增加的新環(huán)節(jié)。它還需要解決箭體捕獲接口、柔性網(wǎng)動(dòng)力學(xué)、緩沖吸能、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、捕獲后防傾倒，以及海上吊裝和防腐等新問題。此次任務(wù)意味著分離、再入、減速、飛行路線控制和海上捕獲第一次在真實(shí)發(fā)射條件下形成閉環(huán)。

網(wǎng)系回收最直觀的價(jià)值，是減少火箭本身攜帶的著陸設(shè)備?！矮C鷹9號”的四條著陸腿并不是簡單支架，而是包括承力結(jié)構(gòu)、展開結(jié)構(gòu)、折疊鉸鏈、緩沖裝置和箭體底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。有工程估算認(rèn)為，相關(guān)結(jié)構(gòu)可能達(dá)到2—2.4噸，約相當(dāng)于“獵鷹9號”一級干重的10%，而不是加滿推進(jìn)劑后總質(zhì)量的10%。

對于火箭而言，結(jié)構(gòu)質(zhì)量極其重要。按照齊奧爾科夫斯基火箭方程的簡化模型，在其他條件不變的理想情況下，如果一級結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少約10%，入軌有效載荷可能獲得約10%的增量。

網(wǎng)系回收仍需增加捕獲接口和加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)，并保留返回推進(jìn)劑，減少2噸著陸腿不等于有效載荷必然增加2噸。但如果理想情況下增加10%，也就是約2噸近地軌道運(yùn)力，按照每公斤5000—8000美元估算，對應(yīng)的潛在運(yùn)力價(jià)值為1000萬—1600萬美元。這就解釋了造價(jià)不低的海上平臺(tái)為何在經(jīng)濟(jì)上依然是合算的：原本每次都要隨火箭升空的設(shè)備，被轉(zhuǎn)化為能重復(fù)使用的基礎(chǔ)設(shè)施。

回收網(wǎng)還可以通過變形延長制動(dòng)距離、降低沖擊。網(wǎng)的價(jià)值不只是擴(kuò)大捕獲范圍，更在于分散載荷和吸收能量。

與“筷子夾火箭”有什么不同？

SpaceX在“星艦”試驗(yàn)飛行中，使用發(fā)射塔兩側(cè)的機(jī)械臂捕獲超級重型助推器。網(wǎng)系回收與機(jī)械臂捕獲目標(biāo)相同：取消著陸腿，把捕獲設(shè)備轉(zhuǎn)移到火箭之外。但兩者把復(fù)雜性放在了不同位置。

SpaceX使用固定塔架和剛性機(jī)械臂，助推器必須精確返回發(fā)射場，并由機(jī)械臂托住箭體承力點(diǎn)。這有利于發(fā)射、捕獲、加注和復(fù)飛一體化，卻把風(fēng)險(xiǎn)集中在發(fā)射塔附近。國內(nèi)方案采用海上平臺(tái)和柔性網(wǎng)系，能夠沿發(fā)射航跡回收，減少返場推進(jìn)劑需求，也將失敗風(fēng)險(xiǎn)與陸上發(fā)射設(shè)施隔離。代價(jià)是必須面對海浪、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、鹽霧腐蝕以及回收后的吊裝和運(yùn)輸。

因此，網(wǎng)系回收并不是把SpaceX的兩條機(jī)械臂換成一張網(wǎng)，而是重新設(shè)計(jì)火箭一子級飛行路徑、捕獲結(jié)構(gòu)和作業(yè)流程。

目前，高頻、規(guī)模化的軌道級火箭商業(yè)復(fù)用仍主要以“獵鷹9號”為代表。藍(lán)色起源的“新謝潑德”火箭已實(shí)現(xiàn)亞軌道復(fù)用，“新格倫”火箭選擇大型海上平臺(tái)作為其一級助推器的回收方式；航天企業(yè)火箭實(shí)驗(yàn)室（Rocket Lab）嘗試過降落傘式回收和空中捕獲，后續(xù)型號規(guī)劃動(dòng)力回收；歐洲、日本和印度則分別推進(jìn)動(dòng)力垂直起降、低空驗(yàn)證和帶翼返回。

日本此次“著陸成功”主要屬于低空、短距離技術(shù)驗(yàn)證，重點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流、水平移動(dòng)和末段控制。它與完成真實(shí)發(fā)射任務(wù)后的一級返回并不處于同一階段。

回收路線不存在絕對優(yōu)劣。著陸腿方案技術(shù)成熟，但箭上質(zhì)量較高；塔架捕獲有利于快速周轉(zhuǎn)，卻對發(fā)射設(shè)施和飛行控制精度要求極高；海上網(wǎng)系回收可以隔離風(fēng)險(xiǎn)、減少箭上設(shè)備，卻增加了平臺(tái)和運(yùn)輸復(fù)雜度；降落傘和帶翼飛回能減少末段動(dòng)力需求，又會(huì)增加傘具、機(jī)翼或熱防護(hù)負(fù)擔(dān)。最終選擇取決于火箭尺寸、發(fā)射場位置、任務(wù)軌道和預(yù)期發(fā)射頻率。

還要克服重復(fù)使用難關(guān)

可復(fù)用火箭的平均成本，可以簡化為制造成本除以重復(fù)使用次數(shù)，再加上每次回收、檢查、維修、平臺(tái)分?jǐn)?、載荷損失和失敗風(fēng)險(xiǎn)成本。假設(shè)制造一個(gè)新一級需要100個(gè)成本單位，每次回收維修和基礎(chǔ)設(shè)施分?jǐn)傂枰?0個(gè)單位，使用兩次時(shí)平均成本為70；使用10次時(shí)才降到30。

這也是接下來最值得關(guān)注的問題：回收后的箭體損傷有多大？發(fā)動(dòng)機(jī)是否需要拆解？網(wǎng)系接觸是否影響火箭承力機(jī)構(gòu)？平臺(tái)需要維護(hù)多久？同一枚一級能否不更換主要部件再次起飛？

網(wǎng)系回收未來可能不只是一個(gè)型號的專用技術(shù)。如果捕獲接口逐步標(biāo)準(zhǔn)化，海上回收平臺(tái)有可能像港口一樣服務(wù)多個(gè)火箭型號?；鸺髽I(yè)的核心能力也將從制造新箭，擴(kuò)展到管理一支反復(fù)飛行的“火箭機(jī)隊(duì)”，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命評估、無損檢測、故障預(yù)測和快速維修會(huì)變得與制造能力同樣重要。

長征十號乙此次回收，意味著中國完成了真實(shí)發(fā)射條件下一級可控返回和網(wǎng)系捕獲的關(guān)鍵驗(yàn)證。但“獵鷹9號”真正改變市場，并不是因?yàn)榈谝淮纬晒χ?，而是因?yàn)榛厥罩饾u變成可重復(fù)使用的日常操作。對于長征十號乙而言，一張網(wǎng)接住火箭只是第一步?；鸺芊裰貜?fù)使用，以較低成本再次走上發(fā)射臺(tái)，是中國航天發(fā)射方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。

（作者系中國航天科普大使）

作者：周炳紅

編輯：杜瑋