(来源:科普中国)
朱雀三号遥二回收成功,中国又多了一个自己能回来的火箭。
它的回收平台,基本就是一个按照航天标准硬化的场坪,范围较大,飞回来的火箭在场坪范围内只要能站稳,落偏一点也无伤大雅,之后排掉剩余燃料很快就能直接转运。退一万步讲就算没能成功也不会炸掉发射架和回收机构,几乎不会造成额外损失,最多给地面砸出一个坑,场坪恢复起来也快速容易得多。
朱雀三号遥二一子级着陆后,张着四腿稳稳站立丨蓝箭航天
除了朱雀的着陆腿式回收,还有网系捕获,机械臂夹取,这三种全球范围内目前较为成熟回收的方式。咱们这一期就来聊一聊它们各自的优势以及不同的适用场景。
网系捕获是近年我国出现的全新技术路线,能省去箭体上的着陆腿,节省一部分死重,对着陆精度的容错空间同样很大。目前是依托回收船上的缓冲网架,它的好处在于驮着网系回收机构的船在海上不是固定待在一个地方等,而是跑起来迎向火箭下落的路径,主动去接住火箭,是跟火箭之间打配合的。
海上网系回收(长征十号乙)丨央视新闻
那陆地搭建同等规模的缓冲网架可不可以呢?当然可以,但相对灵活性就要少一些。如果将刚才提到的这套海上系统搬去陆地,更多地就要依赖火箭自身。
这就好比星舰的“筷子”夹火箭,回收塔待在原地等火箭过来,一点点地下落找精度。而机械臂夹的方式,容错冗余也是这三种方式里看起来最为有限的,整个过程对位置精度和时序控制要求极高。
“筷子夹”回收(星舰一级超级助推器)丨SpaceX
此外“筷子夹火箭”还有另一个较大的弊端,就是支撑夹火箭机构的塔身也用作发射,如果一个没夹住,稍有闪失,整个塔甚至可能连带周边设施都会被一同炸毁,那么不仅回收成不了,想再发射也都没办法进行了。
但筷子方案也有其独特的优势——火箭被捕获后直接放在发射台上,省去了运输和起吊环节,理论上可实现最短的复飞周转周期。因此马斯克要为星舰陆续建造更多的发射回收塔,才能确保任务可以按部就班地进行下去。当然这也与星舰未来要执行登月任务,需要高频次的密集发射有着脱不开的联系,但场地设施可都是钱啊。
星舰回收发射塔,可实现最短时间复飞丨SpaceX
再看猎鹰九号腿式回收的成功率,目前已经稳定在了相当高的水平,而它的大多数失利都集中在海上回收平台上。因为在海上更多是要靠天吃饭,风大一点,浪高一些,火箭都有可能站不稳立不住。就算猎鹰 9 成功垂直落在回收船的平台上,运回港也要一两天,几十米高的箭体立在甲板上,如果有风浪,船身持续摇晃,转运期间就很容易倾倒报废。
猎鹰九号海上平台回收失败倾倒瞬间丨SpaceX
猎鹰九号回收失败(另一次),一级在海上打捞画面丨SpaceX
为了解决运输环节的风险,猎鹰九团队还专门搞出来了一个甲板锁死机器人(Octagrabber),它的外形就像一个大号的扫地机器人,能钻到箭体下方将火箭和回收船连成一体,以此来确保火箭能够安全地拖回港口,但这个前提是火箭首先要能立得住。
而换做陆地场景就要简单不少。例如像国内酒泉这样的内陆发射场,也不具备出海回收的条件。
(Octagrabber)甲板锁死机器人丨SpaceX
猎鹰九号回收成功,在海上运输中丨SpaceX
所以,要实现火箭一级重复使用,腿式着陆依然是最快速的解决方案。如果采用返回原发射场陆地回收,火箭分离后要先做返场点火反转速度方向,再飞回着陆区;如果采用海上回收,则沿弹道惯性飞行至海上平台,无需返场点火。两种模式各有适用场景。
火箭起飞后按弹道返回,直接降落在合适距离的陆地着陆区,不用迁就海况,整个回收流程依托陆上设施,由于仅需要一块硬化着陆场坪,配套成本几乎可以忽略。
腿式陆地回收是最快速的解决方案。图为朱雀三号遥二回收画面。丨蓝箭航天它的全周期经济性和工程逻辑都相当实在:能落地、能干活、能快速走通商业闭环的技术壁垒。周转效率上,火箭着陆后很快就能拖回厂房,但首次翻修检测周期为数周至数月;随着技术成熟和流程优化,未来有望将周转周期压缩至数天甚至更短。多建几个发射台和回收场坪就能够应对高频次发射。
当然,腿式回收也不是万能的,支架腿的死重避免不了,超重型的火箭用腿式的话,着陆机构的重量代价比,更会急剧攀升,死重占用的载荷也更大,换到海上,高海况下受影响程度就更高。因此咱们也将网系回收的方案落到了实处,不仅承载范围大,还灵活机动,受海况影响程度也相对好得多。
网系回收结合了海上灵活机动和免支架腿增重的优点。图为长征十号乙海上网系回收画面。丨央视新闻而在陆地回收这一块,超重型以下的火箭采用支架腿垂直着陆,依然是上佳选择。
总之不同的回收方式应对不同的回收场景和不同重载的火箭,咱们的国家队和商业队都在各自的领域积极探索和尝试,也都各自取得了里程碑式的成功,如此多几条腿走路,咱们的航天事业也才好走出一个更加宽广的阳光大道出来。