深藍(lán)航天“星云-M”試驗箭完成公里級VTVL垂直回收飛行試驗

2022年5月6日,深藍(lán)航天自主研發(fā)的“星云-M”試驗箭完成了1公里垂直起飛及降落飛行試驗,此次飛行任務(wù)的完成宣告了深藍(lán)航天在中國可回收復(fù)用火箭歷史上又攀登上了新的高度,離成功實現(xiàn)入軌及回收又邁進(jìn)了堅實一步。

這一次試驗距上一次百米級VTVL垂直回收飛行試驗僅過去了半年時間,為何商業(yè)火箭公司深藍(lán)航天如此專注實現(xiàn)中國運(yùn)載火箭可回收復(fù)用的目標(biāo)?

在這個商業(yè)航天迅猛發(fā)展的時代,遙望大洋彼岸所向披靡的SpaceX,再仰望頭頂深藍(lán)色的無盡天空,表面風(fēng)平浪靜實則暗流涌動。大航天時代空間資源的搶奪、火箭作為空間往返運(yùn)輸工具的先進(jìn)性和火箭商業(yè)用途多維場景的需求,可回收復(fù)用火箭的必要性與緊迫性可見一斑。


現(xiàn)狀:中國商業(yè)航天迫切需要可重復(fù)運(yùn)載火箭
2021年12月3日,中國常駐維也納聯(lián)合國和其他國際組織代表團(tuán)向聯(lián)合國秘書長致以普通照會,通報了美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX公司)發(fā)射的星鏈衛(wèi)星于2021年先后兩次接近中國空間站,對中國空間站的安全運(yùn)行以及中國航天員的生命健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。出于安全考慮,中國空間站分別于7月1日和10月21日實施對美國星鏈衛(wèi)星的預(yù)防性碰撞規(guī)避控制(“緊急避碰”)。

馬斯克設(shè)想的星鏈星座計劃十分瘋狂,他將會在一期部署1.2萬顆、每顆重約300公斤的星鏈衛(wèi)星,遠(yuǎn)期甚至還要達(dá)到4.2萬顆——星鏈計劃的意義不僅在于實現(xiàn)太空互聯(lián)網(wǎng)通信,更是提前搶占了僅存的近地軌道資源。反觀中國,我們目前還沒有能力規(guī)劃如此龐大的衛(wèi)星星座,更不必說發(fā)射組網(wǎng)了。

國內(nèi)未來的商業(yè)火箭,都面對著發(fā)射頻率提高和發(fā)射成本降低的需要。商業(yè)可回收復(fù)用火箭,在全球都具有可預(yù)見的巨大需求,這就是深藍(lán)航天全力以赴的唯一目標(biāo)。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo),深藍(lán)航天在這一方向全力以赴,已經(jīng)連續(xù)三次成功完成了十米級、百米級和公里級可回收試驗,?這是國內(nèi)目前運(yùn)載火箭領(lǐng)域唯一有工程意義的VTVL垂直回收飛行試驗,使深藍(lán)航天成為目前全球除美國以外研發(fā)回收復(fù)用火箭速度最快的中國商業(yè)航天公司。

破局:降低火箭發(fā)射成本成為關(guān)鍵

只有降低成本,才能更游刃有余地實現(xiàn)成千上萬顆“星鏈”衛(wèi)星的組網(wǎng)任務(wù),未來大型衛(wèi)星星座的發(fā)射需求與可回收火箭的運(yùn)載能力是相輔相成的。2017年3月31日,SpaceX使用一枚二手獵鷹9號運(yùn)載火箭成功發(fā)射了一顆盧森堡的商業(yè)通信衛(wèi)星。本次任務(wù)是人類航天史上的一個里程碑——第一次使用同一枚火箭兩度執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。掌握這一技術(shù)后SpaceX勢如破竹,截至2022年5月初,SpaceX已經(jīng)成功進(jìn)行了118次火箭著陸,并接連打破自己創(chuàng)造的回收記錄:B1051號助推器在2022年3月19日成功發(fā)射48顆星鏈衛(wèi)星并返回,成為首枚被回收12次的火箭助推器。B1060號助推器保持了最快周轉(zhuǎn)時間的記錄,在2022年4月8成功發(fā)射奮進(jìn)號載人飛船Axiom-1任務(wù)后,于短短21天后的2021年4月29日再度上天,并成功發(fā)射53顆星鏈衛(wèi)星。

右:正在著陸中的獵鷹9號一級助推器
(圖源網(wǎng)絡(luò))
可回收復(fù)用帶來的經(jīng)濟(jì)效益是驚人的。SpaceX目前已經(jīng)可以做到火箭一級助推器和整流罩的回收復(fù)用,據(jù)馬斯克本人的說法,全箭復(fù)用比例達(dá)到了80%。這相當(dāng)于在發(fā)射時只需支出火箭一級維護(hù)、火箭二級制造以及燃料的成本。
SpaceX并未公開其回收技術(shù)的具體成本細(xì)節(jié)。但2020年4月美國消費(fèi)者新聞與商業(yè)頻道(CNBC)報道稱美國空軍某航天任務(wù)的預(yù)算為9500萬美元,而SpaceX執(zhí)行官克里斯托弗·庫魯里斯對此表示,發(fā)射任務(wù)只需要2800萬美元。據(jù)此我們可以推算可回收火箭將航天發(fā)射成本足足降低了至少70%。這一數(shù)值對航天界帶來的沖擊是巨大的。俄羅斯航天局局長羅戈津在2020年4月表示,他們不得不將俄羅斯火箭的商業(yè)發(fā)射報價降低30%,以應(yīng)對SpaceX“價格傾銷”的沖擊。

反觀深藍(lán)航天的本次飛行測試,從十米級、百米級直到本次的公里級VTVL垂直回收飛行試驗,使用的均是“星云-M”同一枚試驗箭,初步驗證了火箭回收復(fù)用技術(shù),并摸索出一條具有深藍(lán)航天特色的液體火箭研制全要素流程。這為飛行試驗帶來的成本降低已經(jīng)十分可觀:在全箭垂直回收技術(shù)應(yīng)用的前提下,再次執(zhí)行飛行任務(wù)的成本僅為箭體生產(chǎn)制造成本的約1%,其中包括一些損耗件的更換、全箭的測試維護(hù)費(fèi)用、推進(jìn)劑費(fèi)用等。
那么,為了實現(xiàn)火箭回收復(fù)用以降低成本,技術(shù)難點(diǎn)是什么?總結(jié)來看,應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)兩個核心技術(shù)突破,才可能做到火箭的可回收復(fù)用,一是可以在較大范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)推力的發(fā)動機(jī)技術(shù),二是返回著陸的橫向制導(dǎo)控制技術(shù)。而本次深藍(lán)航天公里級VTVL垂直回收飛行試驗的成功,標(biāo)志著深藍(lán)航天已經(jīng)初步掌握了這兩個核心技術(shù)。

勝出:推力可調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)與橫向制導(dǎo)控制技術(shù)
在2012-2013年間,SpaceX為了突破火箭回收復(fù)用技術(shù)特別設(shè)計了“Grasshopper”(蚱蜢)這一款小火箭,主要目標(biāo)是驗證配備的“梅林-1D”發(fā)動機(jī)的推力調(diào)節(jié)性能,以及火箭橫向制導(dǎo)技術(shù)。

如下圖所示,Grasshopper總共進(jìn)行了8次飛行測試。在2012年9月21日的第1次測試中,Grasshopper僅僅跳起了1.8米,同年11月1日的第2次測試跳起5.4米。半年后2013年3月7日的第4次測試跳起了80米,在2013年10月下旬的第8次測試跳起最高高度達(dá)到了774米。這8次試驗為SpaceX積累了大量寶貴的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。
值得注意的是,深藍(lán)航天“星云-M”試驗箭的飛行測試與Grasshopper的飛行測試目標(biāo)極為接近,甚至表現(xiàn)得更加出色。
在2021年7月的首飛便漂亮地完成十米級飛行試驗,短短三個月后的10月13日飛起103.2米,而在10個月后的今天,“星云-M”試驗箭最大飛行高度近1公里,深藍(lán)航天以不到一年內(nèi)的三次飛行任務(wù),達(dá)到了SpaceX在一年多時間里總計八次任務(wù)才達(dá)到的技術(shù)水平,進(jìn)度令人驚喜。

從深藍(lán)航天的角度看,相比百米級VTVL垂直回收飛行試驗,公里級VTVL垂直回收飛行試驗時發(fā)動機(jī)的單次點(diǎn)火工作時間與入軌火箭單級發(fā)動機(jī)的工作時間相當(dāng),且與地面試車狀態(tài)不同,此次是在真實飛行環(huán)境中去考核發(fā)動機(jī)大范圍變推和長程工作的穩(wěn)定性,這在工程研制中更具有真實性和實際考核意義。
SpaceX的“梅林-1D”發(fā)動機(jī)在前期試驗可以實現(xiàn)70%-100%的推力調(diào)節(jié)范圍,而深藍(lán)航天的“星云-M”試驗箭所使用的“雷霆-5”泵壓式液氧煤油發(fā)動機(jī)通過調(diào)節(jié)氧化劑和燃料泵轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)50%-100%推力調(diào)節(jié)。此外,雷霆系列發(fā)動機(jī)使用和“梅林-1D”發(fā)動機(jī)相同的針?biāo)ㄊ絿娮⑵骷夹g(shù),具有獨(dú)特的回收技術(shù)優(yōu)勢,可以在調(diào)節(jié)推力的過程中抑制不穩(wěn)定燃燒,減少振動,以實現(xiàn)平穩(wěn)的推力調(diào)節(jié)功能。

還值得注意的一點(diǎn)是深藍(lán)航天在本次公里級VTVL垂直回收飛行試驗中成功驗證了橫向制導(dǎo)算法。在垂直起飛——垂直著陸的飛行過程中,加入橫向制導(dǎo)算法,預(yù)先裝訂目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),通過箭上計算機(jī)進(jìn)行計算和規(guī)劃,發(fā)出橫向制導(dǎo)指令,導(dǎo)引火箭向目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行橫移,開展火箭異地返場回收技術(shù)驗證,為以后入軌火箭的異地返場回收復(fù)用甚至洲際旅行等進(jìn)行先期技術(shù)驗證。

此次公里級VTVL垂直回收飛行試驗中,飛行速度達(dá)到0.2Ma,飛行高度近1公里,這是目前國內(nèi)開展的飛行高度最高,飛行速度最快,飛行時間最長的垂直回收飛行試驗。
通過此次飛行試驗,進(jìn)一步驗證了火箭垂直回收過程中的箭體空氣動力學(xué)問題、以及長時間的力熱及振動環(huán)境適應(yīng)性、發(fā)動機(jī)長時間和大范圍的變推工作能力、可重復(fù)使用箭體結(jié)構(gòu)及著陸緩沖裝置、橫向制導(dǎo)及姿態(tài)控制能力等關(guān)鍵核心技術(shù),為后續(xù)開展10公里級垂直回收和入軌級回收打下了堅實基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)景:全力奔赴可回收復(fù)用的火箭入軌之路
Space X在這八次飛行試驗后又設(shè)計了更大尺寸的“獵鷹9號R”測試版本火箭,進(jìn)行更大規(guī)模的公里級VTVL懸停與著陸測試,并先后在2015年12月21日、2016年4月8日成功實現(xiàn)獵鷹9號芯一級在陸地與海上駁船的回收降落,此時距離“蚱蜢”火箭躍起1.8米,只過去了三年多時間。SpaceX以一個個驚天雷般的成就打破了火箭不能垂直回收使用的局限,SpaceX的估值從9.7億美金,指數(shù)增長到了120億美金,實現(xiàn)了12倍的增長。

深藍(lán)航天本次公里級VTVL垂直回收試驗飛行的完成,也宣告了低空回收階段畫上了圓滿的句號,“星云-M”試驗火箭圓滿完成了其歷史使命。
下一階段,深藍(lán)航天將采用與入軌火箭完全相同的全尺寸試驗火箭,繼續(xù)進(jìn)行高空回收試驗階段(類似于SpaceX第二階段采用全尺寸樣機(jī)“獵鷹9號R”進(jìn)行回收測試),向著10km、100km的高度快速突破邁進(jìn),最終實現(xiàn)入軌火箭一子級的可控回收和重復(fù)使用。深藍(lán)航天目前的技術(shù)水平相當(dāng)于SpaceX在2014年初的水平。若一切能夠按照規(guī)劃進(jìn)行,深藍(lán)航天將會在2024年年底之前完成“星云-1”運(yùn)載火箭的第一次入軌發(fā)射-回收任務(wù),正式拉開中國可回收運(yùn)載火箭商業(yè)化運(yùn)行的大幕。

深藍(lán)航天CEO霍亮表示:深藍(lán)航天的使命即實現(xiàn)中國運(yùn)載火箭的可回收復(fù)用,大幅度降低每公斤載荷的入軌成本,成為太空運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的有力推動者。通過本次的公里級VTVL垂直回收飛行試驗,深藍(lán)向這個目標(biāo)又邁出了重要的一步。