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中國發力火箭回收 衛星發射價將低至每公斤5000美元

2017-11-05 14:00:08     來源:新浪網

  中國發力火箭回收(“瞄準世界科技前沿”之航天科技①)

  開欄的話:中共十九大報告提出“加快建設創新型國家”這一重大歷史任務,指出要“瞄準世界科技前沿”,強化基礎研究,實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破。本版特推出《“瞄準世界科技前沿”》系列報道,展現中國科技工作者勇于創新、勇攀高峰的拼搏進取精神。敬請期待。

1月9日12時11分,中國“快舟一號甲”通用型固體運載火箭成功在酒泉衛星發射中心發射“吉林一號”靈巧視頻03星,同時搭載“行云試驗一號”、“凱盾一號”兩顆立方體星。圖為火箭發射瞬間。中新社發 亓創 攝

  1月9日12時11分,中國“快舟一號甲”通用型固體運載火箭成功在酒泉衛星發射中心發射“吉林一號”靈巧視頻03星,同時搭載“行云試驗一號”、“凱盾一號”兩顆立方體星。圖為火箭發射瞬間。中新社發 亓創 攝

  每公斤約5000美元。這不是某種稀有金屬的價格,而是低軌衛星發射將來可能的預期報價。中國航天科技集團公司副總經理楊保華在近日舉行的中國航天高峰論壇上給出上述預期報價可謂誘人。要知道,中國目前在國際上最具商業優勢的快舟一號甲火箭,其發射成本約為每公斤1萬美元。

  從“成本約1萬美元”到“報價約5000美元”,如此大膽的預期的根據是什么呢?“可重復使用火箭。”楊保華透露的這個關鍵詞在人們意料之中。的確,只有實現可重復運載火箭的技術大跨越,才有可能這樣大幅降低發射成本,為從根本上提高中國商業航天的國際競爭力奠定雄厚基礎。

  大幅降低成本和時間

  可重復使用火箭是相對于“一次性運載火箭”而言的概念,指運載器從地面起飛完成預定發射任務后, 全部或部分返回并安全著陸,經過檢修維護與燃料加注,可再次執行發射任務。

  上海宇航系統工程研究所高工徐大富博士表示,可重復使用火箭的優點是減少運載器一次性使用后拋棄昂貴的箭體、發動機及電氣設備造成的浪費,通過多次使用分攤費用來降低運載器的生產與發射成本。關于可重復使用火箭的類別,他介紹說,根據不同的分類方法可以劃分出很多類型,按重復使用程度可分為部分重復使用和完全重復使用,按入軌級數可以分為單級入軌和兩級入軌,按動力類型可分為火箭動力和吸氣式組合動力。

  可以反復多次使用,費用每次分攤當然就可以把成本降下來,可重復使用火箭降低成本的道理不難理解。對于降低成本的幅度,世界上掌握可重復火箭技術的公司之一美國太空探索技術公司曾給出官方預期數據。該公司副總裁肖特韋爾曾稱,一級火箭回收復用的初期目標是降低30%發射費用,多次復用后將降低60%以上。太空探索技術公司重復利用的“獵鷹9”火箭總造價據測算約為5000萬美元,而推進劑的成本只有20萬美元,如果重復使用技術將來進一步走向成熟和完善,其降低成本的空間無疑巨大。中國運載火箭技術研究院研發中心總體室主任陳洪波近日接受采訪時透露,中國可重復使用火箭研制正處于攻關階段,其最終目標是單位有效載荷發射成本降低至現有一次性運載火箭的十分之一。與有望大幅降低成本相應的是發射準備時間也可以大幅壓縮。傳統火箭發射準備動輒數月,而可重復火箭則有望做到大幅提升空間快速響應能力,做到快速檢測,快速發射,未來可以像飛機一樣實現航班化的天地往返運輸。

  三種方式實現可回收

  可回收火箭技術是世界航天領域一顆最璀璨的“明珠”,是航天大國激烈角逐的最前沿領域之一。關于火箭子級回收的具體技術,中國空間技術研究院研究員龐之浩介紹說有三種。

  第一種是降落傘垂直下降方案,即在火箭分離后先進行空中制動變軌進入返回地球大氣層的返回軌道,接著在低空采用降落傘減速,最后打開氣囊或用緩沖發動機著陸。這種方案與回收飛船返回艙和返回式衛星類似。

  第二種是動力反推垂直下降方案,其空中變軌制動同第一種,但在低空采用發動機反推減速,以垂直下降方式降落地面,美國“獵鷹9”火箭采用的就是這種方案。

  第三種是滑翔飛行水平降落方案,即箭體采用翼式飛行體,在變軌制動后,火箭像飛機一樣水平降落返回地面。這種方案又分為有動力和無動力兩種,后者完全依靠翼身的氣動力滑翔飛行(與美國航天飛機著陸類似),而前者是采用裝有渦噴發動機的翼式飛行體,在返回地面過程中啟動渦噴發動機進行巡航機動飛行,可實現更大范圍的回收區選擇(與蘇聯暴風雪號航天飛機著陸類似)。

  堅持沿著兩條路徑發展

  中國對可回收火箭的研究早就開始了。2011年,中國運載火箭技術研究院研發中心開始設立可回收火箭項目,成立了由研究發展中心副總研究師申麟領銜的項目團隊,并對致力于可回收火箭研發的機構進行了調研分析,對上述三種回收方式進行了深入論證。

  《2016中國的航天》白皮書雖然沒有使用“可回收火箭”這一詞匯,但在“未來五年的主要任務”第一部分“航天運輸系統”中提出,“開展低成本運載火箭、新型上面級、天地往返可重復使用運輸系統等技術研究”。其中“低成本運載火箭”在很大程度上就是指“可回收火箭”。

  對中國可回收火箭目前的研發狀況,申麟近日接受記者采訪表示,從總體上來講,正處于關鍵技術攻關階段。具體來說,在技術路徑方面,中國沒有選擇單一方式,而是堅持“兩條腿走路”,即沿著“降落傘+氣囊”和“垂直降落”兩種方式進行研發。在研究進展方面,前一種回收方式走得更快一些。2015年11月,項目團隊成功進行了運載火箭子級回收群傘空投試驗。對試驗結果,申麟認為,雖然只是一個縮比試驗,但是驗證了使用大型群傘的技術能力,獲得的數據也很好地支撐了相應的設計和論證工作。

  “降落傘+氣囊”回收方式試驗的成功在很大程度上得益于中國在此方面的技術積累,實際上,經過數次實戰考驗的神舟飛船返回艙就是采用這種方式成功地在目標區域回收。對于“垂直降落”回收方式的研究也在緊鑼密鼓進行中,申麟透露說,中國運載火箭技術研究院研發中心已完成了系統的方案論證和相應的仿真研究。

  運載火箭技術正處在發展進步之中,特別是新型燃料的采用,將可能為回收技術的演進開辟新的路徑。或許正是從這個角度上,申麟在展望中國火箭回收技術在“十三五”期間的發展時,把目光投向以液氧甲烷為推進劑的運載火箭,他希望與團隊一起努力,在火箭回收技術上取得新的重大突破,早日打造出屬于中國的能大幅降低成本的可回收火箭。

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