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上观新闻|到底有多难，制造可重复利用的火箭

上观新闻|到底有多难，制造可重复利用的火箭
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近日 ， 美国太空探索技术公司（SpaceX）的“龙”飞船首次载人试飞成功 ， 将两名美国宇航员送入国际空间站 。 SpaceX最大的创新就是首次制造出可重复利用的火箭 ， 那么 ， 回收火箭到底有多难？请听中国运载火箭技术研究院研究发展中心高级工程师唐庆博在“造就Talk”演讲上介绍可回收火箭的技术难点 。
2016年 ， SpaceX公司的猎鹰9运载火箭首次实现一子级回收 。 2017年 ， SpaceX又首次实现“二手火箭”的成功发射 。 2018年5月 ， “龙”货运飞船由最新型猎鹰9火箭发射升空 ， 同时实现了陆上回收 。 它在小修状态下可以重复使用10次 ， 大修状况下可使用100次 。
这些年来 ， SpaceX公司及其创始人埃隆·马斯克对技术的探索和对科研的追求 ， 一直在感动着我们 。
人类是怎样实现宇宙探索的呢？我来给大家简单介绍一下 。 其实 ， 火箭发射的原理与扔石头是一样的———你扔的速度越快 ， 石头就落得越远 。 火箭也是一样 ， 当它的飞行速度超过第一宇宙速度 ， 也就是7.9千米/秒的时候 ， 就可以围绕地球飞行；如果达到第二宇宙速度（11.2千米/秒） ， 就可以脱离地球的束缚；如果达到第三宇宙速度（16.7千米/秒） ， 则可以飞向更远的太空 。
【上观新闻|到底有多难，制造可重复利用的火箭】运载火箭的设计原理就是通过分级火箭按照“使用—分离—抛弃”的顺序 ， 一级一级地把有效载荷运到轨道上去 。
有人会问：火箭那么昂贵 ， 每一次都抛掉子级是不是很浪费？确实如此 。 而且 ， 在抛弃的过程中 ， 有时候火箭残骸会砸到意想不到的地方 ， 产生一些损害；也可能没掉到地面 ， 再入轨的时候形成碎片 ， 对整个轨道产生潜在的危害 。
于是 ， 很多科学家就设想 ， 能不能把火箭收回来再次利用？实际上 ， 几十年来 ， 各个国家的科学家都一直在研究这个问题 ， 而SpaceX公司则取得了突破性的进展 。
SpaceX公司的火箭飞行轨迹是怎样的呢？
以它执行第一地球轨道任务为例 。 火箭起飞后140多秒的时候 ， 高度为60公里左右 ， 速度已经达到了非常快的6马赫（1马赫即一倍音速） 。 这时候它的一子级就关机 ， 与二子级分离 ， 之后发动机喷口朝着回收点的方向 ， 进行第二次点火 ， 来减小飞行的速度 。
当飞行高度达到70公里左右 ， 一子级上的栅格翼打开 。 它的作用有两个 ， 一是利用气动进行减速 ， 二是对火箭的姿态进行控制 。 接下来是第三次点火 ， 快到着陆点的时候还有第四次点火 ， 使速度降到5米/秒 ， 着陆缓冲支撑腿打开 。 最后 ， 也是最惊险的环节———垂直落在地面上 。
这个过程说起来挺简单的 ， 可是猎鹰火箭在实现海上回收之前曾经失败了4次 ， 说明这件事还是挺难的 。 它究竟难在哪里呢？
第一个难点 ， 因为加了回收这一步骤 ， 所以火箭的总体参数优化和设计变复杂了 。 回收过程中首先需要有一定的动力 ， 也就需要携带一部分的推进剂 。 在它落地过程中 ， 气动加热会导致子级外壳出现一定的损失 ， 这时候需要相应增重 ， 而且可能需要对下落的弹道进行调整 。 打个比方 ， 就好像既要它多扛货物 ， 又要它本身体重轻 ， 所以有很大的难度 。
第二个难点 ， 整个垂直返回的精度控制要求很高 。 我们可以把回收的过程比喻成一个动作———你手上有一支铅笔 ， 要把这支铅笔抛出去 ， 而且要让它垂直落在一个点上 。 这个过程分两个阶段：一是抛出去以后要准确找到那个点 ， 因此导航制导精度要求特别高；二是它快要落地时要垂直降落 ， 不能倾倒 ， 这对它本身姿态的控制要求比较高 。
第三个难点 ， 火箭子级落地过程中 ， 要对它本身的推力进行调节 ， 有时候需要从60%调节到110% ， 调节范围比较大 。
第四个难点 ， 推进剂的管理难度大 。 它降落的时候 ， 实际上是“半桶水”或者更少 ， 这里有一个控制的问题 。
第五个难点 ， 着陆时的缓冲问题 。 猎鹰火箭的缓冲装置起的作用有三个：第一是防止倾倒 ， 第二是缓冲着陆 ， 第三还要忍受发动机喷射的高温 。
总的来说 ， 火箭的回收确实是挺难的一件事 ， 它也有缺点 ， 其中很大的一个缺点就是火箭子级回收的时候 ， 它的运载能力损失较大 。 实际上 ， 各国科学家都在想一些其他的回收方式 ， 我想不久的将来也许可以看到更多样的成果 。
去年 ， SpaceX还提出了星际运输系统 ， 用来进行火星探测 。 该公司最大的火箭叫BFR ， 号称重复使用次数将达到1000次 。 届时 ， 它可能就像飞机一样 ， 能反复地使用 。
栏目主编：龚丹韵本文作者：唐庆博（徐蓓整理）文字编辑：徐蓓题图来源：新华社图片编辑：徐佳敏


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