国产可重复使用火箭，还有多远的路要走？

本文转自：人民网-科普中国

最近的一段时间里，关于国产可重复使用火箭的各类消息层出不穷，去年还在各种蚂蚱跳，就是飞起来再落下来，今年（2024年）就已经开始了各种全尺寸级别的实验。前段时间（2024年6月23日）航天八院的可重复使用火箭甚至飞到了10公里又成功落下来。感觉上好像用不了多久我们也能够有像space x公司的猎鹰九号那样的可回收火箭了，刚被马斯克打下来的航天发射价格，马上就又要被中国打成白菜价了。

根据官方信息显示，四米和五米直径级别的可重复使用火箭预计2025年和2026年就会分别首飞，挺快的。那么，飞到10公里再落下来，说明我们已经解决了哪些回收火箭的关键技术呢，未来想要把载荷送进轨道再落下来，还需要解决哪些技术问题呢？

为此我查到了包为民院士写的一篇综述论文，给大家简单解读一下。

包院士说：可重复使用火箭的研制难题有四方面，总结起来就是，落得准、耐烧、耐用、好保养。发现没有，我们平常看人家space x咔咔飞回来啪啪落下来感觉帅的不行，结果这只是四分之一难题？没错，如果落是落回来了，但部件已经在返回的气动加热中烧坏了，那只能“割了吧，都烧焦了”。如果落回来了，也没烧焦，不用割，但是发现，发动机不行了，得换，那我费这么大劲回收这枚火箭有啥用？留作纪念吗？如果落是落回来了，没烧坏，各部件也都还能用，但是，需要做个大保养，也没多贵，就跟再造一发火箭差不多吧，那算了还是别回收了。总结起来就是，回收只是第一步，回收完之后，还需要很多努力来让这个回收有意义。这跟spacex的心路历程类似，他也不是刚一开始回收这个成本就降下来的。

那么，为了解决这些难题，需要哪些关键技术呢？非常多，咱们可以举几个简单例子来讲。

比如从气动上来说，不回收的火箭，它基本就是箭体顺着空气飞，就跟个子弹或者炮弹似的，但是如果要回收，就意味着，它不仅得正着飞，还得能倒着飞，还得在正着飞和倒着飞之间转换，比如space x的猎鹰九号，在一二级分离之后，一级要先把屁股摆到前面，从往前飞转成往上飞，然后再转成往回飞，然后再把屁股摆正朝下，往回落。在这个过程中的很多情况下，火箭跟空气的相对夹角，也就是攻角，是之前所不会遇到的，这就需要气动设计上有很多的改进。

飞回来这个过程相当于重新进入大气层，也就是再入，速度很快，会遇到气动加热，这时候结构和材料的防热隔热设计又会经受挑战。之前的节目里面有观众朋友说，我能不能让发动机一直反推给火箭减速，这样火箭的速度不那么快，不就不用抵御气动加热了嘛？没错，可以，但是，这就意味着要带更多燃料，就意味着火箭的运载能力降低，就意味着有可能这个回收火箭最后就不如不回收省钱。事实上，spacex给我们的经验是在合适的时候减速，但不是全程减速，即不会让火箭承受太大的气动加热，又不会耗费过多的燃料。那么，减几次呢？啥时候减呢？这就叫优化问题，是要通过数学去进行计算的。

如果我计算出来了，就会又遇到另外一个问题，火箭是不是要重复地开机关机，这在正常飞行的时候不是啥太难的技术，但是刚才说了，这个火箭飞行的整个过程都在闪转腾挪，那么如果是一般火箭的话，燃料箱里面的燃料就会被晃得哪都是，可能就不在燃料出口的地方，那就有可能点火点不着。所以想要在这个过程中进行可靠的重复点火，还要对燃料箱进行额外的设计，比如说加装专门的返回用的燃料箱，还要事先计算好这些燃料晃荡的时候会对火箭本身产生什么样的影响。

等到火箭快要落地了，发动机的推力还要进行精确的调节和大范围的变化，才有可能精确控制火箭落地，这时候的火箭推力调节就类似于你开车时候从高速刹车刹到停下来的时候踩刹车的力的变化，是不是先大后小然后柔和松开，这个叫推力深度调节。落地的过程中如果有风，控制系统还得足够精确抵抗扰动，让火箭稳稳落下来，落地的时候，那个着陆腿，还得能承受住落地的冲击，还得稳当。

你以为这就完了嘛？以上所有的操作，如果要发射的载荷轨道不同，面临的飞行轨迹和着陆轨道方案就不同，所以这些东西要在一个很广的使用条件下都好用，而且每次的飞行轨迹还得能在短时间内就规划出来。

还没完，在保证这些的前提下，这个火箭还得便宜，还得经过比较简单的处理就立马再来一发，这个处理还不能贵，得控制成本。更重要的是，得保证他落下来之后没有问题，所以故障诊断和检测，各种潜在风险的探测技术也必须同步上马。

总结下来就是，如果你要讲回收，就不能只讲回收，航天是个巨复杂的系统工程，需要处理各个学科之间的耦合。你可以对照前面的部分，看看通过我们目前做过的飞行试验，可以证明我们哪些技术难题已经突破，还有哪些技术尚待通过试验验证，这样我们就可以明明白白地看懂咱们国家可重复使用火箭的发展了。

作者：航空航天科普大V梁毅辰

审核：中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红