运载火箭如何实现自主返回?

作者:谢顿来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-01-12

SpaceX公司赋予了它不走寻常路的特点,这次发射验证了此火箭的可重复使用性能,第一级发动机在完成工作后会自主返回,最终垂直降落在位于大西洋预定海域的海上移动平台上,这其中有何奥秘?

  北京时间2015年1月6日,SpaceX公司在卡纳维拉尔角的空军基地进行一次前无古人的发射任务,令人遗憾的是“猎鹰9号”火箭在进入倒计时1分钟内被紧急中止,原因在于火箭上面级推力矢量装置发生了故障,第二次发射日期为当月9日。

1.SpaceX公司“猎鹰9号”火箭取消了6日的发射

SpaceX公司“猎鹰9号”火箭取消了6日的发射

  “猎鹰9号”火箭其实非常普通,但SpaceX公司赋予了它不走寻常路的特点,这次发射验证了此火箭的可重复使用性能,第一级发动机在完成工作后会自主返回,最终垂直降落在位于大西洋预定海域的海上移动平台上。

2.海上移动平台长度大约为90米,宽度为50米

海上移动平台长度大约为90米,宽度为50米

何为可重复使用火箭?

  可重复使用火箭属于能够被多次使用的航天运载器,在这个家族中除了NASA的航天飞机能够被重复使用外,其余的运载工具都无法实现被再次利用。传统的多级火箭基本属于一次性使用产品,从第一级到上面级,完成使命后就被抛弃了,分离后,发动机也随之损失。为了降低航天发射的费用,美国与前苏联都开启过火箭重复使用的计划,苏联在能源号火箭的研制过程中曾提出将RD-0120发动机进行重复使用验证,但收效甚微。

3.130吨运力的SLS火箭在可重复使用方面并没有“猎鹰9号”那般前卫

130吨运力的SLS火箭在可重复使用方面并没有“猎鹰9号”那般前卫

  美国航天机构在航天飞机固体助推器上实现了重复使用,通过一系列的起爆分离装置让助推器与主体分离,然后开伞溅落。这种方式虽然在一定程度上降低了费用,但可重复使用性仍然不高,助推器的外壳也会在溅落过程中受海面冲击而变形。需要注意的是,航天飞机的运行成本较大,已经背离了当初对可重复使用概念设想,因此研发新一代可重复使用的航天运载器成了降低入轨费用的最佳途径。

4.SpaceX公司测试灰背隼-1D发动机

SpaceX公司测试灰背隼-1D发动机

火箭实现自主返回的技术难点

  火箭的可重复使用性一般从两个方面入手,第一个是重复使用发动机;第二个是部分结构或整体可重复使用。早期火箭设计之所以为一次性使用,是因为重复使用的经济性太差,还不如一次性使用划算,而且重复使用的技术难度仍然不小。进入21世纪后,火箭发动机技术逐渐成熟,于是SpaceX公司在2012年进行了“蚱蜢”火箭的验证性试飞,第一次试飞高度仅为1.8米,在空中停留了3秒,证明了火箭垂直降落的可能性。在之后的一年多的时间内,SpaceX公司陆续进行了多次试飞,高度逐渐提升到700多米,并展示出箭体对横风的控制能力,说明SpaceX公司掌握了火箭自主降落的状态控制技术。随后我们看到了SpaceX公司设计的着陆支架,并安装在“猎鹰9号”火箭第一级发动机围壳周围。从SpaceX公司的对可重复火箭的发展历程上看,实现发动机及其部分结构的可重复使用是完全可行的。

5.落在山坡上的火箭发动机,已经面目全非

落在山坡上的火箭发动机,已经面目全非

  SpaceX公司通过“蚱蜢”火箭累计了火箭自主降落技术,其技术难点主要集中这几个方面:

1. 拥有成熟且先进的发动机技术

  可重复使用火箭在返回级降落时需要发动机提供“随叫随到”的推力服务,返回过程的程序飞行需要发动机多次开机、关机,停启性能必须满足设计要求,发动机工况也要维持在更高的水平上。尤其是当前发射场基本都建在海岸附近,高盐、高湿环境对发动机工况的维持其实是不利的,各部件在满足高速运转时也要对抗环境的不利因素。

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