國產(chǎn)可重復使用火箭，還有多遠的路要走？

（公共領域）

最近的一段時間里，關于國產(chǎn)可重復使用火箭的各類消息層出不窮，去年還在各種螞蚱跳，就是飛起來再落下來，今年（2024年）就已經(jīng)開始了各種全尺寸級別的實驗。前段時間（2024年6月23日）航天八院抓總的可重復使用火箭甚至飛到了10公里又成功落下來。感覺上好像用不了多久我們也能夠有像spacex公司的獵鷹九號那樣的可回收火箭了，剛被馬斯克打下來的航天發(fā)射價格，馬上就又要被中國打成白菜價了。

各位觀眾肯定想知道這個馬上的馬有多快。根據(jù)官方信息顯示，四米和五米直徑級別的可重復使用火箭預計明年（2025年）和后年（2026年）就會分別首飛，挺快的。那么，飛到10公里再落下來，說明我們已經(jīng)解決了哪些回收火箭的關鍵技術(shù)呢，未來想要把載荷送進軌道再落下來，還需要解決哪些技術(shù)問題呢？

為此我查到了包為民院士寫的一篇綜述論文，給大家簡單解讀一下。

包院士說：可重復使用火箭的研制難題有四方面，總結(jié)起來就是，落得準、耐燒、耐用、好保養(yǎng)。發(fā)現(xiàn)沒有，咱們平?？慈思襰pacex咔咔飛回來啪啪落下來感覺帥的不行，結(jié)果這只是四分之一難題？沒錯，如果落是落回來了，但部件已經(jīng)在返回的氣動加熱中燒壞了，那只能“割了吧，都燒焦了”。如果落回來了，也沒燒焦，不用割，但是發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機不行了，得換，那我費這么大勁回收這枚火箭有啥用??？留作紀念嗎？如果落是落回來了，沒燒壞，各部件也都還能用，但是，需要做個大保養(yǎng)，也沒多貴，就跟再造一發(fā)火箭差不多吧，那……算了還是別回收了?？偨Y(jié)起來就是，回收只是第一步，回收完之后，還需要很多努力來讓這個回收有意義。這跟spacex的心路歷程類似，他也不是剛一開始回收這個成本就降下來的。

那么，為了解決這些難題，需要哪些關鍵技術(shù)呢？非常多，咱們可以舉幾個簡單例子來講。

比如從氣動上來說，不回收的火箭，它基本就是箭體順著空氣飛，就跟個子彈或者炮彈似的，但是如果要回收，就意味著，它不僅得正著飛，還得能倒著飛，還得在正著飛和倒著飛之間轉(zhuǎn)換，比如spacex的獵鷹九號，在一二級分離之后，一級要先把屁股擺到前面，從往前飛轉(zhuǎn)成往上飛，然后再轉(zhuǎn)成往回飛，然后再把屁股擺正朝下，往回落。在這個過程中的很多情況下，火箭跟空氣的相對夾角，也就是攻角，是之前所不會遇到的，這就需要氣動設計上有很多的改進。

飛回來這個過程相當于重新進入大氣層，也就是再入，速度很快，會遇到氣動加熱，這時候結(jié)構(gòu)和材料的防熱隔熱設計又會經(jīng)受挑戰(zhàn)。之前的節(jié)目里面有觀眾朋友說，我能不能讓發(fā)動機一直反推給火箭減速，這樣火箭的速度不那么快，不就不用抵御氣動加熱了嘛？沒錯，可以，但是，這就意味著要帶更多燃料，就意味著火箭的運載能力降低，就意味著有可能這個回收火箭最后就不如不回收省錢。事實上，spacex給我們的經(jīng)驗是在合適的時候減速，但不是全程減速，即不會讓火箭承受太大的氣動加熱，又不會耗費過多的燃料。那么，減幾次呢？啥時候減呢？這就叫優(yōu)化問題，是要通過數(shù)學去進行計算的。

好的如果我計算出來了，就會又遇到另外一個問題，火箭是不是要重復地開機關機，這在正常飛行的時候不是啥太難的技術(shù)，但是我剛才說了，這個火箭飛行的整個過程都在閃轉(zhuǎn)騰挪，那么如果是一般火箭的話，燃料箱里面的燃料就會被晃得哪都是，可能就不在燃料出口的地方，那就有可能點火點不著。所以想要在這個過程中進行可靠的重復點火，還要對燃料箱進行額外的設計，比如說加裝專門的返回用的燃料箱，還要事先計算好這些燃料晃蕩的時候會對火箭本身產(chǎn)生什么樣的影響。

等到火箭快要落地了，發(fā)動機的推力還要進行精確的調(diào)節(jié)和大范圍的變化，才有可能精確控制火箭落地，這時候的火箭推力調(diào)節(jié)就類似于你開車時候從高速剎車剎到停下來的時候踩剎車的力的變化，是不是先大后小然后柔和松開，這個叫推力深度調(diào)節(jié)。落地的過程中如果有風，控制系統(tǒng)還得足夠精確抵抗擾動，讓火箭穩(wěn)穩(wěn)落下來，落地的時候，那個著陸腿，還得能承受住落地的沖擊，還得穩(wěn)當。

你以為這就完了嘛？以上所有的操作，如果要發(fā)射的載荷軌道不同，面臨的飛行軌跡和著陸軌道方案就不同，所以這些東西要在一個很廣的使用條件下都好用，而且每次的飛行軌跡還得能在短時間內(nèi)就規(guī)劃出來。

還沒完，在保證這些的前提下，這個火箭還得便宜，還得經(jīng)過比較簡單的處理就立馬再來一發(fā)，這個處理還不能貴，得控制成本。更重要的是，我得保證他落下來之后沒有問題，所以故障診斷和檢測，各種潛在風險的探測技術(shù)也必須同步上馬。

看到了嘛？總結(jié)下來就是，如果你要講回收，就不能只講回收，航天是個巨復雜的系統(tǒng)工程，需要處理各個學科之間的耦合。你可以對照前面的部分，看看通過我們目前做過的飛行試驗，可以證明我們哪些技術(shù)難題已經(jīng)突破，還有哪些技術(shù)尚待通過試驗驗證，這樣我們就可以明明白白地看懂咱們國家可重復使用火箭的發(fā)展了。

我是茍勝，帶給你硬核又有趣的航空航天知識，點贊加關注就可以下課了。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者 | 梁毅辰 航空航天科普大V

審核 | 周炳紅 中國科學院國家空間科學中心研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司