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中国网系回收:独立于SpaceX的火箭回收方案,可行性如何?

中国青年报》2月9日报道,《中国航天科技活动蓝皮书(2021年)》于当日发布,2021年,我国完成55次航天发射,发射次数居世界首位;发射航天器117个,居世界第二;发射载荷总质量191.19吨,发射载荷数量和质量持续刷新纪录,2022年计划安排50余次宇航发射任务,发射140余个航天器

看到这样的新闻想必各位应该感到神清气爽,中国航天从默默无闻走到世界前列,一举一动都开始引起全球航天的关注,2022年也是我国“天宫”空间站建设的大年,各项发射之密集是从未有过的。

相信很多航天迷在关注祖国航天的同时也对SpaceX的发射活动也时常留意,对于猎鹰火箭回收使用发动机真是叹为观止,甚至2020年将两名宇航员送往空间站的发动机已经回收使用了5次!

SpaceX的火箭使用成本大幅降低,我国2022年正是发射大年,每次发射都是一次性使用,白花花的银子不是丢在深山老林里就是波光粼粼的南海,实在是太浪费了,我们中国版的回收火箭究竟什么时候才能出来?

中国版回收:究竟是长腿的还是张网的?

2022年1月底网上出现了一个看起来是“长征八号”火箭回收过程的视频,其制作相当不错,笔者已经截图如下:

这个版本和SpaceX的回收方案那是如出一辙,几乎就没有任何区别,相信很多朋友都颇有微词,尽管回收这条路能走的道真不多,使用雷同的方案也是无奈之举,凡是造飞机都有翅膀,搞火箭都有尾喷管一样。

不过在2月24日,中国航天科技集团公众号发布了一篇标题为《还能这样回收?新一代载人火箭方案有新意!》的文章,其中披露了一个让人拍案叫绝的回收方案,用很低成本解决了SpaceX为之努力了十几年的回收方案,而且还直接解决了着陆后的火箭垂直稳定问题。

张腿回收?网系回收?究竟哪个更稳?

其实早在中国航天科技集团公众号发布以前网上就已经出现了网系回收的方案,2022年2月17日北京举行的近地轨道载人航天飞行展望与合作国际研讨会上,披露的正是“我国新一代可重复使用的运载火箭”。

新一代颗重复使用火箭方案选型PPT

来自SPACENEWS的一篇文章中则公布了现场演示PPT中的详细回收方案,当时笔者就看的有点不对劲,因为在某一页面中有一个晃悠悠的回收方案,尽管介绍不甚详细,但各位嗅觉灵敏的朋友早已发现了其中的特殊之处。

尽管还看不出其中的奥秘,而且还有种累赘的感觉,不过种花家相信中国的科研人员的思路不会那么简单,果然第二天网上就出现了回收的动图,与种花家想象得还是有些差异,而这个差异则是大大超出了预料:

这副全景图可以看出火箭回收返回着陆时只需要一个初略的定位到着陆场地即可,剩下的事情就是回收机构的对火箭的监测与定位,灵活的钢丝绳将会追踪火箭的位置,并且将其“夹持”。

这个网系方案中,还数层保险,保证系挂安全可靠保证回收成功。

不知道各位有没有发现这个方案中有一个非常巨大的优势,只要火箭到着陆场即可,剩下的事情就不用它“管”了,而且着陆后无论横风如何大,都不会让火箭倾倒,因为网系回收的亮点是火箭的上端系留,对垂直稳定性不敏感。

与SpaceX迥异的回收方案?

其实两个方案还是有很大的相似之处,首先第一个相同点就是该方案完全不同于伞降回收,而是动力回收,以便火箭在分离后启动减速方案,一般一级火箭在分离是其速度约在2~3千米/秒。

此时如果姿态失去控制,那么火箭将在数秒内解体,因为当前还在稠密的大气层内,如果失控,在数倍的音速下很快就会被撕裂,因此在火箭尾部或者二级火箭连接部位必须有气动控制翼面,保证脱离了的火箭能利用空气动力效应下保持稳定。

另一个则是可变推力发动机,火箭从起飞时的满载到分离后的空载,大推力火箭发动机明显无法胜任需求,除了可变推力发动机外或者安装专门用于回收的发动机,另外这台发动机尾喷管必须是可以摇摆控制方向调姿使用,因为气动翼面的姿态控制反应比较慢,在横风比较强烈的情况下垂直落地需要尾喷管摇摆控制方向。

还有一个则是额外的燃料,比如一级火箭脱离时火箭至少已经飞出了几百千米,它有无法滑翔,飞回原地或者减速都是实打实的燃料,因此必须装载额外的燃料才能让它启动回程。

两者不一样的地方

SpaceX的回收方案在落地时撑开一个“四脚架”,然后保持垂直状态稳稳落地,从理论上来看一点问题都没有,但事实上却存在很大的问题:

横风很强怎么办?即使已经垂直落地,一阵横风刮过来,可能就将已经站住但还没有站稳的火箭致命一击,直接被“吹倒”在地,而此时由于已经落地,根本无法调姿,除非在顶端安装小火箭,比如像火箭弹上的调姿小火箭。

降落平台不稳怎么办?这是在海上回收的所遭遇的问题,在这种情况下,至少有两个可变因素,一个是平台不稳,另一个是海上横风,这是SpaceX所无法解决的难题。

如前文所述,中国运载火箭技术研究院的方案是反其道而行之,回收前半程和SpaceX没啥区别,但在最后“落地”时约束的是回收火箭的头部,网系约束,用钢丝绳挂住,这种状态不怕横风,也不怕接收平台不稳。

只要回收后整艘船的重心保持在下半部分即可,否则也会倾倒,但很明显,这种状态下假如回收平台在船舶上的话,其稳定性由整个平台决定,因此要比SpaceX的是四脚架回收要稳定得多。

未来究竟会采用哪种方案?

2月17日在北京举行的近地轨道载人航天飞行展望与合作国际研讨会上披露的重复使用火箭(和星舰非常相似),当然这也是一个方向,而在PPT上的回收方案,同样也是一个选项。

而且此前制作精良的长征8号四脚架回收方案应该也不是画出来玩的,因为这种方案除了回收有价值外,在其他星球降落时同样具有很高的价值,比如在火星降落,必须要是用这种有腿的结构,对于地球上轻松能完成的回收着陆,在火星上同样手到擒来。

因此这对于未来的载人行星着陆也具有相当的参考价值,另外像星舰类的飞船返回时也是这种结构更合适,马斯克考虑的不止是回收,还有飞船着陆的问题,显然他在这方面已经更进一步,比如回收成功率从2016年时8个助推器中的有5个回收成功(63%),2017 年回收了14个全部成功(100%),2018年的成功率是83%。

而中国运载火箭技术研究院的方案只能拿来回收火箭,因此长征八号的四脚架结构想必是会同步研究,未来采用哪种方式还真不太好说。