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长征十号乙首飞成功!全球首次“网系回收”,到底厉害在哪?

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7月10日,长征十号乙运载火箭从海南商业航天发射场成功升空,将卫星送入预定轨道。

几分钟后,更精彩的一幕出现了——完成任务的一子级既没有坠入海中,也没有像美国的猎鹰-9的一子级依靠着陆腿站立海上在回收平台上,而是精准飞向海上的网系回收平台,被一张柔性大网稳稳“接住”。


长征十号乙运载火箭一子级可控回收过程 图片来源:空天逐梦

这是我国首次成功实施运载火箭一子级可控回收,也是全球首次实现运载火箭网系回收,标志着我国在重复使用运载火箭技术领域取得了新的突破。

对此,蝌蚪君连线采访了全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩。庞之浩表示,海上网系回收最大的创新,在于将传统依靠着陆腿完成着陆,转变为利用柔性网系实现末段捕获,为重复使用火箭探索了一条新的技术路线。

很多人看到这里都会好奇:火箭为什么一定要回收?又为什么会有多种回收方式?长征十号乙采用的“海上网系回收”,到底特别在哪里?

答案要从火箭为什么要“飞回来”说起。

为什么大家都在研究火箭回收?

对于很多人来说,火箭最重要的任务就是把卫星、飞船送上太空。但对于航天工程师来说,还有一个同样重要的问题:怎样才能降低火箭的发射成本?

传统运载火箭大多属于"一次性用品"。第一级火箭完成推进任务后,通常会坠入海洋或落到预定区域,而无法再次使用。这意味着,每完成一次发射,就需要重新制造一枚新的火箭。

如果把火箭比作飞机,这就相当于每飞一次航班,就报废一架飞机。


图片来源:新华社

随着低轨卫星互联网、空间站补给等航天发射任务越来越多,人类进入太空的频率正在不断提高。如果火箭始终只能一次性使用,发射成本和制造压力都会越来越大。因此,可重复使用运载火箭,被认为是未来航天发展的重要方向。

要想使运载火箭能重复使用,首先要让火箭飞回来,软着陆;接着,经过简单的维修,加注新的推进剂;最后,再次发射它。所以重复使用运载火箭的第一步是要让火箭飞回来,软着陆。

不过,让火箭飞回来,软着陆,并不是一件容易的事。甚至很多航天专家都认为,回收比发射还难。

第一级火箭与第二级火箭在高度约65千米完成分离时,仍然保持着极高的飞行速度,达到约2千米每秒,所以它靠惯性继续向上飞行冲高至顶点约105千米。想要返回,它首先要在空中完成一次"调头",随后重新点火减速,再借助栅格舵利用空气阻力进一步降低速度。

若火箭是一根细针,火箭回收便是从万米高空迎风掷出,让针尖垂直落进海上方寸靶区。在火箭回收的整个过程中,推进剂管理、发动机多次启动可靠性、制导导航控制、防热设计、着陆缓冲等多个系统都必须精准配合。最后,在距离海面很近时,还要把落点误差控制到极小范围内。


长征十号运载火箭一级箭体成功分离 图片来源:央视米兰体育-米兰(中国)官网

短几分钟内,火箭需要连续完成滑行调姿段、气动减速段、动力减速段和着陆段等一系列高难度动作,任何一个环节出现偏差,都可能导致回收失败。正因为如此,如何让火箭既能安全返回,又能尽可能降低回收成本、提高再次使用效率,成为各国航天不断探索的重要课题。

为了把火箭接回来,人类想出了不同办法

既然回收如此困难,人们自然也尝试过不同的技术路线。最早的方案之一,是降落伞回收。


美国“电子”号火箭采用伞降海面回收方案 图片来源:新华网

火箭或部分部件打开降落伞,依靠空气阻力减速,最终落到海面或陆地。这种方式结构简单,但落点容易受到风影响,精度有限,落海后还可能受到海水腐蚀,因此更多用于部分部件,而不是大型一级火箭。

另一种思路,是水平回收。


图片来源:新华网

典型代表就是航天飞机。它依靠机翼滑翔,像飞机一样降落在跑道上。这种方式着陆平稳,但需要机翼、起落架等复杂结构,维护成本较高,因此并没有成为今天大型运载火箭的主流选择。

目前应用最广泛的,则是垂直动力反推减速回收,即一子级分离后调头、发动机多次点火反推减速,垂直姿态返回。这也分三种方式。

一种是靠着陆腿垂直着陆,即火箭底部展开液压着陆腿,直接站立在陆地场坪 / 海上回收船。这种最成熟,典型代表是美国SpaceX的猎鹰 9、蓝色起源公司的新格伦。这种目前最成熟。

另一种是塔架机械臂空中捕获(筷子回收),即助推器飞回发射塔上空悬停,巨型机械臂直接夹住箭体,无需着陆腿。其典型代表是SpaceX 公司的星舰超重型助推器,目前处于试验验证阶段。

第三种是海上网系柔性捕获,即火箭无着陆腿,而是带挂钩降落,被海上平台 “井” 字形阻拦网吊挂缓冲回收。典型代表是长征十号乙,配套 “领航者” 回收船。


中国重复使用运载火箭新技术验证箭 图片来源:新华网

采用靠着陆腿垂直着陆的方式时,火箭先重新点火减速,不断调整姿态,最终依靠发动机反推减速垂直降落,并利用着陆腿稳定站立。这种方式虽然成熟,不过也有自己的代价。为了能够安全落地,火箭需要预留返程推进剂,还要携带着陆腿等额外结构。这些重量都会占用火箭本可以用于运送卫星的运载能力。

因此,如何让火箭既能安全回收,又尽可能减少额外重量,一直是重复使用技术的重要课题。

另外,对着陆精度要求较高。第二种方式对控制精度极致严苛(厘米级悬停),火箭必须精准回到发射塔正上方,空中长时间稳定悬停,制导、推力差动控制难度是三种方案最高。

长征十号乙,为什么选择“一张大网”?

此次长征十号乙最大的亮点,就是给出了一个新的答案。它采用的是海上网系回收。

这种方式仍然属于垂直回收,但最后一步发生了变化。火箭不再依靠着陆腿站稳,而是在接近海面时自动展开挂钩,与海上回收平台上的柔性网结构精准配合,最终稳稳挂在“井”字形网索上,实现捕获回收。


海上网系回收动画演示过程 图片来源:空天逐梦

可以把它想象成:不是让运动员跳下来自己站稳,而是在终点准备好一张巨大的安全网,把高速返回的火箭稳稳“接住”。

这样做,有几个明显优势。

首先,可以减轻火箭重量。由于不用安装复杂、沉重的着陆腿,箭体结构能够进一步简化,把更多重量留给真正需要送入太空的有效载荷,提高运载能力和经济性。它采用轻量化挂钩,死重不足着陆腿方案 1/10;回收状态 近地轨道运力折损仅约16%,显著优于着陆腿方案(23%~40%)。

其次,回收窗口更宽。传统垂直着陆,对落点精度要求极高;而柔性网不仅具有一定缓冲能力,而且对落点偏差更加包容,有助于提高回收成功率。大尺寸网系大幅放宽制导精度要求,落点容错窗口可达±50 米级,从而能降低发动机末端悬停控制难度;平台缓冲抵消海面晃动,4 级海况仍可作业,抗风浪能力更强。

三是,“动对动” 海上作业,部署灵活。回收船可机动至任意回收海域,适配海南等滨海发射场;不受陆地场地、发射塔位置约束。

四是,柔性回收保护箭体,降低落地冲击损伤。它不直接撞击甲板,减少底部发动机、箭体结构磕碰与高温灼烧,降低复用检修成本。


图片来源:新华社

对此,全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩对蝌蚪君表示,相比传统方式,采用网系回收,火箭无需携带数吨重的着陆腿,仅保留轻量化挂钩,能够进一步减轻箭体重量,把更多运载能力留给有效载荷。同时,柔性网系还能提供缓冲能力,对火箭落点具有更大的容错空间,有助于降低回收过程中的结构冲击,提高重复使用潜力。

当然,这种方案也带来了新的挑战。海上的回收平台并不是静止的。风浪、海流都会让船体持续晃动,即使采用动力定位系统,也难以做到绝对稳定。

因此,这不是火箭“一个人的表演”。火箭要精准寻找回收船,回收船也要实时调整位置,双方必须在动态环境中完成高精度协同,最终实现精准捕获。正因如此,这次任务被形象地称为一场“箭与船的海上共舞”。

另外,捕获回收船要运回港口检修,复用周转周期比着陆腿方案长;仅适用于海上回收场景,无法陆地落地。

这张“大网”,托起的是未来的航天能力

此次任务创造了两项纪录:我国首次成功实施运载火箭一子级可控回收,也是全球首次实现运载火箭网系回收。它证明的不只是火箭能够飞回来,更重要的是,我国探索出了一条具有自身特色的重复使用火箭技术路线。


图片来源:新华社

事实上,火箭回收从来没有唯一答案。不同国家、不同型号火箭采用不同回收方式,也让不少人产生疑问:究竟哪一种才是未来的发展方向?

对此,全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩对蝌蚪君表示,火箭回收没有一种技术路线能够适用于所有火箭和所有任务。不同火箭承担的任务不同,运载能力、目标轨道、发射场条件以及成本要求都存在差异。

例如,执行高轨道或深空探测任务时,火箭往往需要将更多推进剂用于入轨,如果再预留大量燃料用于返回,就会明显影响运载能力;而不同回收场景,对陆地、海上平台以及箭体结构的要求也各不相同。因此,工程设计需要根据具体任务,在运力、成本、安全性和复用效率之间进行综合权衡。

按照计划,此次成功回收的一子级还将开展检查、维护和复用验证,预计将在今年年底前完成首次复用飞行。如果说过去,人们更关心的是火箭能不能飞上太空;那么未来,一个越来越重要的问题将变成:它能不能安全、高效地一次次飞回来。

而长征十号乙稳稳落入那张“大网”,不仅接住了一枚火箭,也接住了我国重复使用运载火箭迈向低成本、高频次发展的新起点。

1.//www.news.cn/politics/20260710/1a2fac984d9a468aa9a71cdcce236eba/c.html

2.//paper.people.com.cn/rmrb/pc/content/202607/11/content_30168073.html

3.//epaper.gmw.cn/gmrb/html/content/202607/11/content_19007.html

4.//www.xinhuanet.com/milpro/20240625/5192873f028941f6914866fcd03d1bf9/c.html

作者:蝌蚪君

审核:刘颖 李培元 张超 杨柳

审核专家:庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家

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