7月10日,长征十号乙运载火箭成功首飞,同时火箭一级在海上平台通过网系捕获方式成功回收。这是我国首次成功实施火箭一级可控回收,也是全球首次火箭网系回收,标志着我国在重复使用火箭技术领域取得历史性突破。
网系回收是我国独创的一种新型箭地协同火箭回收模式,可让火箭不用靠“腿”站立,而是直接飞进一张大网里,被温柔地“抱”住。相比目前国际主流的垂直起降回收模式,这种箭船“共舞”的回收方式,有助于提高回收过程中捕获、缓冲的成功率。
记者从中国航天科技集团了解到,这种能让火箭回收更“简单”的方案,技术并不简单。
第一问:火箭返回,如何完成一套极限“体操”?
长征十号乙运载火箭,是中国航天科技集团一院抓总研制的5米直径两级构型大型液体运载火箭。此次任务,火箭一级返回全程处于复杂气流中,就像完成一套极限“体操”。它要在不到6分钟时间里完成调头、减速、精确着陆等一系列高难度、高精度动作,实现“控得住”“回得准”“落得稳”“接得住”。
火箭一级与二级分离后,开启了返回之旅。此时,它在惯性作用下,仍处于向上飞行状态,首先要滑行、调整姿态,在空中掉个头,由上升变为下坠。
在高速下坠过程中,发动机点火反推,减缓降落速度。这一过程,要在极短时间内完成推进剂管理、贮箱增压、发动机预冷等一系列复杂准备。
接下来,箭体上的栅格舵打开,如同张开一对小翅膀,帮助火箭调整姿态。与此同时,推进剂沉底管理系统同步工作,将储箱内的推进剂沉降集中至底部,为后续发动机点火做好准备。
完成了滑行、调姿,火箭依靠栅格舵产生的气动阻力,进一步实施气动减速。这是防热设计的关键验证环节,箭体底部要承受严苛的气动加热和气动载荷考验。
随着高度降低,火箭要再次启动发动机减速,并通过导航与定位装置获取回收平台的精确位置。进入网系后,火箭缓缓下降,箭上挂索机构展开;塔架四角的激光雷达实时测量火箭的位置和姿态,驱动呈“井”字形的绳索挂住火箭,并消除它下落的势能。就像一位父亲伸出双手,从高处接下自己的孩子。
最后,回收系统为火箭系上“安全带”,使其完全稳固。
第二问:回收系统怎样与火箭“双向奔赴”?
网系回收并不是简单地“张网以待”,回收系统要与火箭“双向奔赴”,在动态中实现极为精准的协同匹配。
据中国航天科技集团专家介绍,在火箭“找”船的同时,船也在“找”火箭,两个拥有各自六自由度运动的物体,要在海浪扰动下完成高动态“对接”。
在茫茫大海上,回收平台在风浪中不可能静止不动,即便其配备的DP2级动力定位系统能抵抗漂移,却无法完全消除晃动;火箭下降时也不是完全直落,有一定的机动滚转,两者之间要实时接收平台的晃动与位置数据,主动补偿角度偏差。
这一过程,除了考验火箭的智能控制与自主飞行技术、发动机在极端环境下保持稳定工作的能力等,也要求回收平台具备快速响应能力,要能精准判断火箭进入时机,并通过缓冲、固定等机构吸收冲击力。另一方面,回收系统的塔架结构高67米,相当于20多层楼,加上设备总重约5400吨,设计难度极大。总体来说,回收系统融合了机械工程、自动控制和材料科学等多领域技术。
第三问:网系回收比传统方案好在哪?
垂直起降是目前国际主流的火箭回收模式。回顾过往回收失败案例,大部分发生在最后着陆阶段,无论是落点、力度还是落地后的平衡,任一环节稍有偏差都可能导致功亏一篑。
网系回收也属于垂直起降回收的一种,但这一方案降低了发动机和箭体调控难度,对火箭的着陆指标更友好。就如同给油瓶加上一个漏斗,通过网系的协同,可以“放大”捕获窗口,对火箭落点偏差有更强的适应能力。回收系统“接”住火箭以后,也能帮助它缓冲、固定,提高回收成功率。
同时,网系回收有助于简化箭上结构,让火箭不需要配备复杂的着陆腿,从而减轻箭体重量,增加运载能力。
后续,网系回收系统还可以通过系列化设计,适应不同规模火箭的回收需求。该方案将助力中国航天开展低成本、高频次、可持续的太空探索。(记者 付毅飞 何沛苁)
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