7月10日,必將是我國航天史上值得大書特書的一天。就在這天,長十乙火箭在海南商業航天發射場點火升空,火箭攜帶的衛星順利入軌,這已經是中國航天的常規操作了。但真正讓人們屏住呼吸的,則是發射后的那第6分鐘。因為發射6分鐘后,長十乙的一子級火箭,將會從天上垂直降下來,落在海面上的“領航者”號回收平臺的一張“井”字形大網中。
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沒錯,結果大家已經都知道了,我們成功了。我們成為世界上第二個實現運載火箭一子級可控回收的國家,更是全球第一次實現運載火箭海上網系回收的國家。
消息一出,很多人其實都在問同一個問題,那就是:這長征十號乙火箭,直徑5米粗,全箭重達760噸,從上百公里的天上掉下來,到底是怎么被一張網接住的呢?
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圈叔提供幾個數據。普通的客機,在降落時候,速度大概每秒200米,你是不是已經覺得夠快了?但火箭的一子級和二子級分離時候,飛行速度已經逼近了每秒2公里。這個速度可是比子彈的飛行還要快好多倍。
而接下來長十乙火箭一子級要做的事,就是在不到6分鐘的時間里,把每秒2公里的速度降到0,并且期間還要完成調姿、減速,并再入大氣層,并做精準制導和末端捕獲等一系列動作。
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如果硬是要把這套動作套用在地面上,圈叔打個比方,就是你要開著一輛時速7200公里的跑車,6分鐘后以指定動作穩穩停在指定停車位上,同時還要應對橫風,并躲避障礙物。而用航天人的行業話來說,就是返回段點火,就怕推進劑沒有被送到該到達的位置上。
為啥?因為在接近失重的條件下,火箭燃料箱里的推進劑是懸浮狀態,發動機想要順利地再次點火。燃料必須穩定留到發動機入口。如果這時候混進去空氣起泡,輕了說是輸送不穩,點火遲疑,重了就是直接二次點火失敗。
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所以為了避免這一情況的出現,火箭就必須得先做一個“沉底”的動作。讓輔助動力系統給一個微小的推力,推進劑在慣性作用之下,重新回到燃料箱的底部。聽起來沒啥難的是不是?但就這一小步,就牽涉到推進劑管理、發動機預冷、姿態控制等多個系統,只要有一個環節出問題,前面所做的一切都白搭。
所以“沉底”之后,火箭才算真正開始返回之路。當高度降到只有60多公里的時候,火箭發動機會再次點火,反向推力在這時會給火箭“踩一腳剎車”,這個在工序里叫“再入減速”。但研發團隊卻把這一步叫“鬼門關”。
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為什么這么叫?因為這一步幾乎沒有容錯空間。減速不足,速度太快,箭體沖進稠密大氣層后超出結構和防熱材料承受能力,直接解體;減速過度,剎車太猛,飛行軌跡就會偏離預定彈道,落點偏到姥姥家去。說白了就是:輕了不行,重了也不行,必須剛剛好。
過了再入減速這道關后,箭體會以極高速度扎進稠密大氣層,4片柵格舵從箭體四周展開。每片舵面大約有一張雙人床大小,在高速氣流中提供阻力和控制力,幫助箭體穩定姿態、修正偏差。這時候箭體要承受大約百千帕的峰值動壓。動壓越大,減速越猛,氣流對結構的沖擊也越強。底部防熱材料還要承受高溫燒蝕。
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幾十秒的氣動減速,等于把火箭扔進了一個狂暴的風洞,而它還得在狂風巨浪中穩住姿態,不偏不倚地朝回收船飛去。火箭突破了大氣層、穩住了姿態,接下來才是精準落網。
但海上再穩的船,也是晃的。就好比把一支圓珠筆從百層的高樓往下釋放,精準地落在地面上的一個筆筒里,過程中圓珠筆還得保持姿態和速度的可控。
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你品品這個畫面。真實情況比這還難:筆筒是放在一艘2.5萬噸的大船上的,這艘船還在海上隨著波浪起伏。那怎么做到的呢?答案是“箭找船”和“網找箭”相結合。
火箭回收第一步,是火箭去找回收船。等進入到回收船可控的范圍內,再靠船上的網系去匹配火箭的動作。塔架上的激光雷達會實時測量火箭的位置和姿態,然后驅動牽引索,把火箭的動能和下落帶來的勢能全部吸收掉。最終讓火箭相對靜止地懸在網的中央,然后穩穩著陸。整個過程全部自動化,沒有人為干預。
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網系回收這套方案,跟SpaceX那種讓火箭“長腿”自己站回去的路子完全不同。研制團隊提出了“簡化箭上,箭地協同”的思路,把復雜的活兒交給地面設備干,火箭身上只需要裝幾個輕量化的掛鉤。
這樣一來,火箭不用背沉重的著陸腿,省下來的重量都能轉化成運載能力。而且那張柔性網本身有一定的“包容度”,火箭落點稍微偏一點也能被兜住。
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說了這么多技術難點,你可能要問了:費這么大勁回收火箭,圖啥?
圖倆字:省錢。如果重復使用的次數足夠多,跟現在常規火箭相比,價格降幅能達到20%到30%。未來降幅可能會達到50%,甚至60%。
有分析指出,長十乙在回收狀態下單位發射成本有望下降40%以上。如果實現規模化復用,低軌衛星發射成本甚至可能下降60%到80%。
成本降下來了,發射頻率就能提上去。衛星互聯網星座的部署、深空探測、載人登月這些曾經遙不可及的夢想,才有了大規模實現的經濟基礎。
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