深藍航太星雲一號火箭垂直回收功敗垂成只差最後一步
我國民營航太事業蓬勃發展,並有多家企業開始嘗試回收復用,並取得了重大進展,例如藍箭航太的朱雀三號完成了10公里高度垂直起降,而航太科技集團的可重複使用火箭已經飛到12公里高度了。但是,航太事業一直都有極高的風險。9月22日13時40分,江蘇深藍航太在內蒙古深藍航太濟納旗航太港實施了星雲一號首次高空垂直回收飛行試驗。
這是中國第一次可入軌運載火箭的高空回收試驗。
核心任務目標,是驗證星雲一號入軌後垂直回收階段各系統工作的正確性和協調性,特別是首次在飛行中驗證多機轉單機變動力工況,為後續百公里級回收飛行試驗、以及最終入軌+回收試驗任務累積關鍵數據。
可惜的是,可回收復用的一子級箭體在飛行測試的最後著陸階段發生異常,測試未取得完全成功。
《星雲一號首次高空垂直回收飛行試驗試驗大綱》總共設計了11個主要試驗驗證任務,其中10項成功完成,1項未完成。
星雲一號是深藍航太的第一型可入軌且回收復用的商用液體火箭,直徑3.35米,一子級高度約21米。
它配備的雷霆-R液氧煤油發動機,由深藍航太全自主研製,是中國第一型90%以上主體結構均採用高溫合金3D列印技術一體成型的可複用液體火箭發動機。
下一步,深藍航太將依計畫執行「星雲-1」運載火箭一子級垂直回收飛行驗證,並於2024年實現「星雲-1」運載火箭的入軌+回收,正式開啟規模商業化。
依照《星雲一號首次高空垂直回收飛行試驗大綱》,本試驗過程驗證的關鍵技術點情況如下:
火箭按照預定程序三台發動機點火起飛,到達預定高度後,兩側發動機關閉,依靠單台發動機推力穩定姿態併減速上升,到達最高點之後依靠單台發動機推力調節平穩下降,橫移約200米後,在回收場上空的預定高度成功解鎖展開並鎖定著陸支腿,但是在最後著陸關機段出現異常,導致箭體出現部分損毀。
本次飛行測試全程飛行時長179s,關機前箭體與理論著陸點的誤差小於0.5米,最後箭體精確落於回收場中心點。
本試驗飛行任務剖面與預定程序相符,試驗準備及實施全過程都在前期安全管控計畫範圍內,試驗後依照預定的緊急處理流程進行後處理,全程未發生任何安全問題。
試驗後經過測試製程數據初步回溯分析,在最後著陸關機段,發動機調推伺服跟隨控制指令出現異常,導致箭體著陸高度超過設計範圍,箭體出現部分損毀。
深藍航太技術團隊將盡快完成任務“歸零”,為後續回收飛行試驗的成功打牢基礎。深藍航太在本試驗總結以及技術故障歸零基礎上,11月將再次執行高空垂直回收任務。
本次飛行測試在深藍航太自行建造的額濟納旗航太港進行,試驗場的地面設備、加註系統、測控系統,均由深藍航太自主研製。
這是國內第一個完全商業化的能夠滿足液體火箭發射和飛行測試的試驗場,地處戈壁腹地,南側緊鄰中國第三大沙漠巴丹吉林沙漠,週邊都是廣袤的戈壁沙漠無人區,具有本質安全性特徵。
本試驗航區指向南側沙漠無人區,試驗嚴格依照火箭試驗安全管理要求執行,進行全面風險識別、管控、緊急應變方案,確保本試驗的試驗安全及公共安全。
對於受試產品星雲-1入軌火箭一子級而言,本試驗僅加註了少於1/5的推進劑;成功驗證了高空垂直回收工況推進劑淺箱晃動狀態下的精確姿態控制。
本試驗使用了基於動基座的高精度自對準技術,以及起飛滾轉變射向發射技術,可以在火箭不改變起豎安裝狀態情況下滿足全射向發射需求,未來可大大簡化對不同飛行任務的工作量並提升適應性。
本次測試初步驗證了基於最優控制的回收航跡最佳化和米級精度導引演算法,為後續的入軌+回收最優控制方法進行了工程驗證。
本次試驗是國內首次採用開式循環液氧煤油針栓發動機,執行火箭高空回收測試任務。
液氧煤油推進劑組合具有綜合運載效率高、產品成本低、使用安全性和維護性好等特點,是作為商業使用的液體回收火箭的不二之選;但由於煤油液-液組織燃燒的困難性,平滑推力調節和穩定燃燒一直是煤油調推引擎的困難點。
針栓技術作為解決煤油引擎調推的最佳工程實踐,是開式循環液體引擎的技術高峰之一。
本次試驗的成功是雷霆-R發動機首次參與飛行試驗,中心發動機在179s飛行中全程進行了推力調節,實際調推指令範圍為110%至58%,推力調節精度優於1%,在飛行工況下對最大幅度達40%的階躍指令對應良好、推力超調精度小於2%。
本次試驗在國內首次採用了專門針對入軌級火箭開發的著陸緩衝機構(著陸支腿)進行垂直回收測試。
為滿足入軌級火箭苛刻的重量要求,該機構採用了全碳纖維結構製造,前期進行了緩衝器單機試驗、連接鎖定裝置單機試驗、單支腿的系列展收試驗、四支腿和箭體的聯合展收試驗等單機和系統試驗。在前期一系列試驗和改進的基礎上,該機構是國內首個進入工程化應用的著陸緩衝裝置產品。
在付出重量不大於1.2t、佔火箭空重小於10%的代價下,可以讓火箭一子級在攜帶剩餘推進劑條件下按照總重量不大於15噸、速度不大於3m/s,姿態角不大於5°情況下,安全可靠軟著陸。
江蘇深藍航太有限公司(深藍航太)成立於2016年,是以運載火箭研發、生產及提供商業發射服務為核心業務的商業航太企業,聚焦液體可回收復用運載火箭的研發。
深藍航太製造總裝基地位於江蘇省南通市,在北京亦莊設有火箭技術、液體發動機研發中心;在山東濟南建有火箭動力測試基地;在海南文昌建有發射基地和文旅教育基地,已獲得國家高新技術企業認證、武器裝備品質管理系統認證及國家相關保密資格。
深藍航太主打產品為「星雲」系列運載火箭,包括「星雲-1」液體可回收復用運載火箭、「星雲-2」液體可回收復用運載火箭,與之配套的「雷霆」系列液體火箭發動機則分別為「雷霆-R1」液態氧煤油引擎、「超級雷霆」液態氧煤油引擎。
2021年7月23日,深藍航太完成了國內首次液態氧煤油火箭垂直起飛和垂直降落(VTVL)自由飛行,即被稱為「蚱蜢跳」的運載火箭垂直回收飛行試驗。
2021年10月13日,深藍航太再次成功完成百公尺級VTVL垂直回收飛行測試。
2022年5月7日,深藍航太成功完成公里級VTVL垂直回收飛行試驗,成為了全球第二家完成液氧煤油火箭垂直回收復用全部低空工程試驗的公司(第一家為美國的SpaceX)。
2022年6月29日,深藍航太20噸級液態氧煤油引擎「雷霆-R1」試車圓滿成功。
2022年9月29日,深藍航太完成中國商業航太首次可重複使用液態氧煤油引擎二次起動試車。
10月8日,同一台發動機在不下台狀態下再次進行了二次起動試車,一次起動發動機工作20s,二次起動發動機工作20s,再次取得圓滿成功,標誌著“雷霆-R1”發動機已經具備了可重複使用能力。
2023年6月,深藍航太自主研發的可重複使用引擎「雷霆-R1」在深藍航太新投入使用的立式試車台位整機考台試車取得圓滿成功。
本輪試驗的同一台「雷霆-R1」引擎共進行了數次整機全系統試車,以及數十次不同工況的起動測試和點火測試,再次凸顯「雷霆-R1」引擎可重複使用的優越性能和穩定性能。
6月29日,深藍航太可重複使用引擎「雷霆-R1」再次整機全系統試車,進入常態化試車階段。
7月,深藍航太完成國內首次使用非火工連接解鎖機構進行的整流罩分離試驗。
8月,深藍航太「雷霆-R1」引擎首次立式試車台整機試車120秒圓滿成功。
8月15日,深藍航太液態氧煤油引擎「雷霆-R1」國內首次三次起動整機試車圓滿成功。
8月23日,深藍航太完成國內首次液態氧煤油引擎全飛行時序三次起動試車。
10月18日,深藍航太液態氧煤油引擎「雷霆-R1」420秒長程試車圓滿成功。
11月20日,深藍航太液態氧煤油引擎「雷霆-R1」整機40%-100%在線變推力試車圓滿成功。
12月,深藍航太「星雲-1」液體可回收復用運載火箭著陸支腿展收試驗取得圓滿成功。
2023年12月至2024年1月,深藍航太「雷霆-R1」引擎整機搖擺試車取得圓滿成功。
3月,深藍航太「星雲-1」火箭一子級三機狀態動力系統試車圓滿成功。
4月,深藍航太「星雲-1」火箭一子級200秒長程動力系統試車圓滿成功。 4月,深藍航太「星雲-1」級間分離反推動裝置性能驗證試驗圓滿成功。
5月,深藍航太「星雲-1」火箭一子級回收著陸段系統聯調與落震測試取得圓滿成功。
6月,深藍航太「星雲-1」火箭柵格舵展開性能試驗已圓滿成功。
7月,深藍航太「星雲-1」火箭第一子級三機並聯全時序動力系統系列試車圓滿成功。