為何重複使用火箭試驗都選擇10公里這個高度?
近年來,重複使用火箭技術的發展成為全球航太領域的熱門話題。尤其是在商業航太領域,各國公司都在爭相開發能夠垂直起降的可重複使用火箭。而在這過程中,10公里高度似乎成為了驗證可重複火箭技術的重要「門檻」。無論是美國的SpaceX,八院的驗證箭,還是朱雀三號的VTVL-1,10公里這個高度總是在測試中反覆出現。
那麼,為什麼選擇這個高度呢?它對於可重複火箭技術的驗證意味著什麼?翻過這個坎,前方真的就一片坦途了?今天,我們就花點時間專門聊聊它。
第一個要回答的就是──10公里的高度,到底代表什麼?其實,在火箭發射過程中,10公里這個高度並不是特別顯著的一個“里程碑”,它甚至還未突破大氣層,尚處於地球的對流層內。然而,對於可重複使用火箭來說,這卻是至關重要的高度。首先,10公里以下的大氣密度較大,空氣阻力強烈。在這樣的環境下,火箭在上升和下降過程中都將經歷巨大的壓力和空氣阻力。這意味著火箭的姿態控制系統、穩定控制系統、以及柵格舵等輔助設備都需要接受嚴峻考驗。此外,火箭在此高度還會經歷“最大動壓”,即空氣動力對火箭施加的最大壓力。這是火箭飛行過程中最複雜的階段之一,火箭需要在這個階段保持平穩,以避免結構受損或故障。其次,10公里是火箭在飛行過程中需要經歷超音速和亞音速狀態變化的高度。對於可重複火箭來說,這也是驗證「跨音速」控制能力的機會。跨音速是指火箭從亞音速,即小於音速過渡到超音速超過音速的過程。在這個階段,氣流的變化會對火箭的姿態和控制系統產生巨大的擾動。因此,10公里的飛行高度不僅能夠測試火箭的耐受性,還可以驗證火箭在跨音速下的穩定性和精確控制能力。這一高度被選為關鍵的試驗點,正是因為其代表了火箭在極端條件下的性能測試。
那麼,完成這10公里級的飛行,又代表什麼呢?可以說,它標誌著火箭技術的重大進步。首先,火箭在這樣的高度返回並成功著陸,意味著其具備了基本的重複使用能力。正如中國朱雀三號的設計團隊所強調的,這一飛行成功表明火箭的引擎、柵格舵等核心部件可以在返回過程中精確配合,並保持穩定。但是,成功完成這項高度的試驗,並不代表前方再無阻礙。 10公里的飛行雖然驗證了火箭在部分複雜環境下的適應性和控制能力,但距離真正的軌道級飛行仍有很大差距。在更高的高度,火箭需要面對更嚴峻的挑戰,尤其是再入大氣層時的高溫和極高速度。對於中國的可重複火箭技術而言,10公里的飛行成功,更多的是意味著技術的驗證已進入關鍵階段。火箭的垂直起降技術已經有了初步的成果,但後續需要解決的,還有如何實現更高高度的垂直回收,以及應對再入過程中產生的巨大熱量和動能。例如再入大氣層時產生的高溫如何有效防護;例如火箭的著陸精度和速度控制如何進一步提高;再比如,火箭的結構如何足夠輕盈,但又要足夠堅固,以應對多次使用的疲勞損耗等等。我們期待著,隨著技術的逐步成熟和飛行次數的增加,這些問題將逐步解決。
而說到我國可重複火箭技術的發展與現狀,一個無法繞過的點就是SpaceX的成就了。 SpaceX自2000年代初開始,就致力於研發能夠重複使用的火箭,並於2015年首次成功實現了火箭的垂直回收。此後,SpaceX多次完成軌道級火箭的回收與重複使用,徹底改變了航太產業的成本結構。相較之下,中國的可重複火箭技術起步較晚。雖然近年來取得了顯著進展,但與SpaceX仍有一定差距。以朱雀三號VTVL-1為例,目前中國的測試還處於10公里高度的垂直起降階段,而SpaceX早已實現了海上回收與軌道級火箭的重複使用。然而,這並不意味著中國航天沒有追趕的可能。中國近年來在航太技術的研發上投入了大量資源,並在多次試驗中取得了重大突破。從時間來看,中國可重複使用火箭的實用化進程或許還需5-10年左右才能達到SpaceX目前的水準。然而,中國龐大的市場需求,民營企業在技術創新上的投入,也會進一步縮短這一差距。
總而,10公里的飛行試驗不僅是技術驗證的重要一步,也是未來航太探索的基石。我國在這一領域雖起步較晚,但憑藉持續的投入和技術積累,預計在不久的將來趕上SpaceX步伐,開啟屬於我們自己的可回收航天時代。