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出品：科普中國

制作：川陀太空（科普創(chuàng )作者）

監制：中國科普博覽

近日，我國自主研發(fā)的朱雀三號可重復使用垂直回收試驗箭，在酒泉衛星發(fā)射中心完成10公里級垂直起降返回飛行試驗，這是自2024年1月，朱雀三號VTVL-1驗證火箭成功完成測試后又一個(gè)里程碑。

朱雀三號是我國民營(yíng)運載火箭企業(yè)藍箭航天的產(chǎn)品，是朱雀系列火箭的最新型號。藍箭航天在2018年開(kāi)始測試朱雀一號，發(fā)展到如今的朱雀三號VTVL-1驗證火箭，這標志著(zhù)我國商業(yè)航天在可重復使用運載火箭技術(shù)上取得重大突破，將來(lái)的發(fā)展方向是研發(fā)出可重復使用的高運力低成本運載火箭。

藍箭VTVL-1火箭進(jìn)行十公里高度回收試驗的現場(chǎng)圖像

（圖片來(lái)源：藍箭航天）

藍箭航天朱雀三號大型可重復使用火箭垂直返回技術(shù)的VTVL-1試驗箭

（圖片來(lái)源：藍箭航天）

為什么要研發(fā)可重復使用火箭

可重復使用火箭是指能夠部分或者全部回收火箭部件，并重復使用的發(fā)射系統。航天飛機其實(shí)就是一種可重復使用的發(fā)射系統，但它的問(wèn)題在于無(wú)法低成本使用。

引用美國宇航局艾姆斯研究中心在2018年的會(huì )議數據，航天飛機將27.5噸的載荷送入近地軌道，成本約15億美元，每公斤約5.45萬(wàn)美元，而商業(yè)發(fā)射所使用的獵鷹9號運載火箭，將22.8噸載荷送入近地軌道，成本為6200萬(wàn)美元，每公斤約2720美元。顯然航天飛機雖然也是可重復使用的發(fā)射系統，但是發(fā)射成本太高，最終也要被淘汰。

航天飛機計劃還涉及隔熱裝置安全性的問(wèn)題，導致美國宇航局不得不在發(fā)射一架航天飛機的時(shí)候，再準備另一架航天飛機也矗立在另一個(gè)發(fā)射工位上，隨時(shí)準備救援，進(jìn)一步導致發(fā)射成本增加。

兩架航天飛機同時(shí)矗立發(fā)射工位，一架處于待命救援狀態(tài)，導致航天飛機雖然是可重復使用發(fā)射系統，但發(fā)射成本極高

（圖片來(lái)源：NASA）

當下對可重復使用火箭的定義更加注重其低成本性，換而言之，如果無(wú)法實(shí)現低成本運營(yíng)，那么可重復使用的意義就蕩然無(wú)存。從運載火箭的角度看，目前阻礙近地軌道大規模開(kāi)發(fā)的瓶頸就是成本問(wèn)題，這里的成本并不是火箭發(fā)射的總費用，而是根據發(fā)射報價(jià)和載荷質(zhì)量折算出的每公斤載荷進(jìn)入軌道的成本。

美戰略與國際研究中心（CSIS）的數據顯示，目前獵鷹重型火箭進(jìn)入近地軌道的每公斤載荷成本是1500美元，低于歐洲阿麗亞娜5G運載火箭的9167美元和質(zhì)子火箭的4320美元。

送入軌道的費用降低了，那么大規模開(kāi)發(fā)近地軌道或者近地軌道商業(yè)化的才有可能實(shí)現，這就是發(fā)展目前我們作為航天強國要發(fā)展可重復使用火箭的目標。比如目前正在實(shí)施的千帆星座計劃、鴻鵠星座計劃、中國星網(wǎng)的GW星座計劃，都需要將上萬(wàn)顆衛星送入近地軌道，我國已經(jīng)在2020年4月，首次將衛星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建的范疇。

發(fā)射成本的降低，也意味著(zhù)我們可以將更多的衛星送入軌道，如果是大推力可重復運載火箭，那么我們打造空間站的成本也會(huì )更低，空間站的規模自然也會(huì )增加，功能也會(huì )得到進(jìn)一步延伸。

千帆衛星星座已經(jīng)開(kāi)始打造

（圖片來(lái)源：CCTV）

可重復使用火箭的原理是什么？

目前我國研發(fā)的可重復使用火箭側重于對第一級助推器的回收，從而實(shí)現可重復使用，回收的方式就是讓助推器完成使命后再垂直降落。要讓火箭第一級垂直降落，就需要控制發(fā)動(dòng)機噴射方向，并控制火箭的姿態(tài)，在降落過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機通過(guò)向下噴射氣流，產(chǎn)生向上的反作用力，逐步控制第一級的下落速度，在距離地面一定高度時(shí)，展開(kāi)著(zhù)陸腿，最終實(shí)現定點(diǎn)垂直軟著(zhù)陸。

技術(shù)方面涉及發(fā)動(dòng)機調節推力，第一級返回時(shí)姿態(tài)控制的相關(guān)技術(shù)等，同時(shí)還需要研發(fā)出能夠重復使用的火箭發(fā)動(dòng)機。目前可重復使用發(fā)動(dòng)機比較理想的動(dòng)力就是液氧甲烷發(fā)動(dòng)機，我國朱雀二號使用的天鵲系列就是全球首枚成功入軌的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機，200噸級YF215液氧甲烷發(fā)動(dòng)機也在研發(fā)中，這是我國第一款采用全流量分級燃燒循環(huán)技術(shù)的火箭發(fā)動(dòng)機，有利于我國擴展空間探索。

朱雀二號遙二運載火箭在我國酒泉衛星發(fā)射中心發(fā)射升空

（圖片來(lái)源：新華社）

回收第一級助推器對火箭的可重復使用意義重大?？芍貜褪褂冒l(fā)動(dòng)機的成本較高，大約可占整個(gè)火箭發(fā)射成本的六至七成，主要是因為發(fā)動(dòng)機比較昂貴，獵鷹9號使用9臺發(fā)動(dòng)機，每臺發(fā)動(dòng)機按約200萬(wàn)美元算，第一級助推器的成本僅發(fā)動(dòng)機一項就要花費約1800萬(wàn)美元，占一次發(fā)射6200萬(wàn)美元報價(jià)的比重較大。

如果助推器數量較多，比如達到三個(gè)，那么這些助推器對發(fā)射成本的影響就更大了。同時(shí)，第一級助推器分離高度還沒(méi)有出大氣層，也適合回收，所涉及技術(shù)難度要遠低于第二級發(fā)動(dòng)機的回收。

朱雀三號VTVL-1驗證火箭這次試飛，驗證的就是垂直返回技術(shù)，一子級點(diǎn)火升空后到達了10公里的高度，之所以選擇這個(gè)高度，是因為10公里有足夠的高度可以驗證各種各樣的擾動(dòng)，一子級在下降過(guò)程中可通過(guò)格柵舵、火箭發(fā)動(dòng)機垂直反推和重啟，對姿態(tài)進(jìn)行聯(lián)合控制，這些都是朱雀三號VTVL-1驗證火箭要測試的內容。

隨著(zhù)火箭質(zhì)量的增加，著(zhù)陸緩沖系統則是火箭軟著(zhù)陸的關(guān)鍵，緩沖裝置將吸收箭體的動(dòng)能和勢能，確?；鸺趶碗s條件下安全著(zhù)陸。

朱雀三號VTVL-1火箭有何特點(diǎn)？

朱雀三號VTVL-1的定位是驗證火箭，是以全尺寸發(fā)動(dòng)機構建的工程樣機，藍箭航天計劃通過(guò)垂直起降回收試驗，驗證多項重復使用火箭的關(guān)鍵技術(shù)。

該試驗箭為單級液氧甲烷火箭，箭體直徑3.35米，長(cháng)度18.3米，起飛質(zhì)量約68噸，搭載80噸級天鵲-12改進(jìn)型液氧甲烷發(fā)動(dòng)機，具有變推力調節和多次點(diǎn)火能力。箭體使用高強度不銹鋼箭體結構，有4片柵格舵系統，軟著(zhù)陸時(shí)，有3組著(zhù)陸緩沖機構。從外觀(guān)上可以確定，朱雀三號VTVL-1并非最終定型的型號，仍然以試驗為主，全狀態(tài)的朱雀三號將在2025年首飛。

我國垂直降落技術(shù)展示

（圖片來(lái)源：新華網(wǎng)）

朱雀三號全狀態(tài)圖像

（圖片來(lái)源：藍箭航天）

驗證火箭與可執行發(fā)射任務(wù)的火箭相比，外觀(guān)上可直觀(guān)分辨出。驗證火箭并沒(méi)有整流罩，結構簡(jiǎn)單，只需滿(mǎn)足測試所需的硬件條件即可。

全狀態(tài)的朱雀三號將搭載9臺天鵲-12改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機，可將12至21噸的載荷送入近地軌道，在國際上處于領(lǐng)先地位，畢竟目前能夠研發(fā)可重復使用火箭的國家也只有中美，但是我國民營(yíng)航天企業(yè)正在研發(fā)的可重復使用火箭種類(lèi)多，除了朱雀三號外，還有雙曲線(xiàn)三號運載火箭、天龍三號運載火箭等等，形成一種百花齊放的競爭局面，對我國大規模開(kāi)發(fā)近地軌道空間奠定了堅實(shí)的基礎。

由于可重復使用火箭對比的并非是運載能力，所以評價(jià)一款可重復使用火箭的能力，并不是運載能力越大越好，而是在一定條件下每公斤載荷進(jìn)入軌道的成本，顯然這個(gè)成本在不影響運力的情況下越低，則代表這款火箭更加優(yōu)秀。從這個(gè)角度看，朱雀三號，還有天龍三號都有極強的低成本潛力。

參考文獻：

1.近期航天發(fā)射成本大幅降低

2.太空發(fā)射至低地球軌道：成本是多少？

3.星際穿梭：可回收火箭奇幻之旅

4.外媒關(guān)注：中國打造“千帆星座”邁出重要一步

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