完成9米高跳躍試驗，這個“煤氣罐”什么來頭？

近日，美國斯托克公司成功對可重復(fù)使用火箭上面級進(jìn)行跳躍試驗。在15秒的飛行測試過程中，火箭二級原型機(jī)Hopper2上升到大約9米的高度，隨后著陸在距離發(fā)射臺4.5米的地方。那么，什么是跳躍試驗？這款火箭采用了哪些新穎設(shè)計？未來前景又將會如何呢？

跳躍試驗不可小覷

跳躍試驗即為垂直起飛著陸試驗，其目的是證明在上升和下降過程中能夠控制火箭，并使火箭進(jìn)行軟著陸的能力。這是一個非常困難的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制問題，尤其是對于斯托克公司所研發(fā)的火箭二級原型機(jī)的分布式推力器新系統(tǒng)而言。

火箭二級原型機(jī)升空瞬間

跳躍試驗的意義是重大的，百米級、公里級的垂直回收飛行試驗，可以驗證發(fā)動機(jī)不同于地面試車時的狀態(tài)，在真實飛行環(huán)境中去考核發(fā)動機(jī)工作的穩(wěn)定性，跳躍試驗在工程研制中更具有真實性和實際考核意義。

同時，跳躍試驗也可以驗證橫向制導(dǎo)算法：在試驗過程中加入橫向制導(dǎo)算法，預(yù)先裝訂目標(biāo)點坐標(biāo)，通過箭上計算機(jī)進(jìn)行計算和規(guī)劃，發(fā)出橫向制導(dǎo)指令，導(dǎo)引火箭向目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行橫移，開展火箭異地返場回收技術(shù)驗證。這可以為以后入軌火箭的異地返場回收復(fù)用甚至洲際旅行等進(jìn)行先期技術(shù)驗證。

跳躍試驗還可以進(jìn)一步驗證火箭垂直回收過程中的箭體空氣動力學(xué)問題，以及長時間的力熱及振動環(huán)境適應(yīng)性、發(fā)動機(jī)長時間和大范圍的變推工作能力、可重復(fù)使用箭體結(jié)構(gòu)及著陸緩沖裝置、橫向制導(dǎo)及姿態(tài)控制能力等關(guān)鍵核心技術(shù)，為開展后續(xù)階段研究打造堅實基礎(chǔ)。

垂直起飛著陸技術(shù)路線目前已經(jīng)成為絕對主流，世界上在研、在役和概念設(shè)計階段共有28型可復(fù)用太空發(fā)射系統(tǒng)，其中有19型為垂直起降類型，占總數(shù)的68%。目前，斯托克公司是從籌集資金到展示跳躍試驗技術(shù)最快的公司，已經(jīng)成為世界上第二家試飛完全可重復(fù)使用火箭上面級原型的公司，也是美國第三家試飛液氫液氧火箭發(fā)動機(jī)的公司。本次試驗標(biāo)志著斯托克公司向開發(fā)完全可重復(fù)使用運載火箭邁出了重要一步。

新穎設(shè)計打造全復(fù)用火箭

眾所周知，SpaceX公司已經(jīng)使用獵鷹9火箭的垂直起降技術(shù)，展示了火箭一級的發(fā)射和回收，而斯托克公司創(chuàng)新性地提出要打造一款全復(fù)用火箭。針對火箭二級，該公司主要提出3點新穎設(shè)計。

一是全新的推進(jìn)器設(shè)計。傳統(tǒng)火箭二級一般采用單發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，且發(fā)動機(jī)具有較大的鐘罩形噴管，其結(jié)構(gòu)目的是優(yōu)化發(fā)動機(jī)排氣在真空中的流動。但此結(jié)構(gòu)設(shè)計的弊端是延伸噴管往往相當(dāng)脆弱，使得火箭再入時，對發(fā)動機(jī)噴管的保護(hù)變得十分困難。而斯托克公司使用了由30個較小推進(jìn)器組成的環(huán)來作為推進(jìn)系統(tǒng)。在真空中，來自這些噴嘴的羽流合并為一個整體進(jìn)行工作，在火箭再入過程中采用部分推力器點火，更容易保護(hù)噴管，并且該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更好地滿足垂直著陸的需要。

二是嘗試再生冷卻隔熱罩?；鸺壴偃脒^程中，需要保護(hù)整個飛行器不受過熱大氣的影響，針對這個問題，斯托克公司表示“嘗試再生冷卻的隔熱罩是最有意義的”。在火箭再入過程中，飛行器的韌性金屬外層將內(nèi)襯小空腔，使推進(jìn)劑通過材料保持冷卻。火箭二級在再入過程中就好像使用了再生冷卻隔熱屏的太空艙。

三是全新的一級火箭發(fā)動機(jī)。斯托克公司表示，工程師已經(jīng)著手為火箭一級研究開發(fā)全流量、分級燃燒的火箭發(fā)動機(jī)，其中7個發(fā)動機(jī)將為助推器提供動力。目前，針對這些引擎的組件測試已在進(jìn)行中。

但是，不同于一級復(fù)用回收，斯托克公司可全復(fù)用火箭的研制工作還有很長的路要走，目前來看，研制工作仍存在一系列技術(shù)難題。

首先是如何確保二級火箭發(fā)動機(jī)在大氣和真空兩種不同環(huán)境中均能正常使用。該款火箭的兩級將采用相同型號的液氫液氧發(fā)動機(jī)，但是二級火箭在發(fā)射階段是在真空中工作，返回階段進(jìn)行反推時是在大氣中工作，而噴管在這兩種不同環(huán)境中工作時，火箭發(fā)動機(jī)的面積比（噴管出口與喉部面積比）是不同的，因此需要確保發(fā)動機(jī)在兩種環(huán)境中均能正常使用。

其次是火箭返回時如何消耗巨大的動能。二級火箭將有效載荷送入軌道后，將以第一宇宙速度返回地球，如何消耗如此大的動能，使幾噸重的精密設(shè)備減速并安全著陸，是一個技術(shù)難題。斯托克公司計劃采用彈道再入和動力著陸的方式回收二級火箭，但是這種方式需要攜帶足夠的燃料，并且會增大二級火箭的體積和質(zhì)量，從而影響火箭的運載能力，所以可行性有待論證。

三是如何保證重復(fù)使用條件下整流罩的密封性。二級火箭和整流罩再入大氣層時，會發(fā)生嚴(yán)重的氣動加熱，如果火箭二級的密封性出現(xiàn)問題，再入時的高溫對火箭的破壞性是巨大的，所以需要良好的熱防護(hù)層對火箭進(jìn)行保護(hù)。如何保證整流罩處接縫的密封性，并實現(xiàn)多次重復(fù)性使用，是斯托克公司有待進(jìn)一步解決的問題。

從另一個角度看火箭二級原型機(jī)升空

商業(yè)航天的有力競爭者

斯托克公司的目標(biāo)是設(shè)計和建造一枚100%可重復(fù)使用的火箭，火箭周轉(zhuǎn)時間為24小時，可將最多7噸貨物運送到近地軌道。該火箭計劃于2025年首次試飛。

斯托克公司所研制的火箭分為兩級，一級火箭回收類似于獵鷹9火箭，二級火箭與整流罩連接在一起，入軌后整流罩像花瓣一樣展開釋放載荷，合攏后與二級火箭通過火箭反推著陸，實現(xiàn)全箭可重復(fù)使用。

可重復(fù)使用的系統(tǒng)勢必會更加復(fù)雜，并且相比于一次性發(fā)射，它需要攜帶更多燃料，以滿足再入減速的需要，從而對運載能力有所影響。但如果此項技術(shù)發(fā)展成熟，斯托克公司將實現(xiàn)火箭一級、二級和整流罩全部重復(fù)使用，并將發(fā)射頻率提高到每天1次，可以在低地軌道甚至更遠(yuǎn)的距離上，提供可重復(fù)使用火箭運載服務(wù)，降低發(fā)射成本，縮短發(fā)射周轉(zhuǎn)周期。

未來的商業(yè)火箭需要提高發(fā)射頻率，降低發(fā)射成本，商業(yè)可回收復(fù)用火箭在全球都具有可預(yù)見的巨大需求。SpaceX公司的獵鷹9火箭作為目前唯一成功、成熟、經(jīng)過大規(guī)模實際工程驗證的可回收火箭，總計成功回收超過200次。從其發(fā)射數(shù)據(jù)來看，可回收復(fù)用火箭能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

SpaceX公司目前已經(jīng)可以做到火箭一級助推器和整流罩的回收復(fù)用，據(jù)馬斯克本人的說法，獵鷹9火箭全箭復(fù)用比例達(dá)到了80%。這相當(dāng)于在發(fā)射時只需支出火箭一級維護(hù)、火箭二級制造以及燃料的成本，發(fā)生成本直接降低了70%。

而對于斯托克公司計劃打造的全復(fù)用火箭而言，其成本將僅包括定期保養(yǎng)以及燃料消耗費用。該款火箭可進(jìn)一步降低載荷的入軌成本，成為太空運輸產(chǎn)業(yè)的有力推動者和競爭者。（作者：張?zhí)炝?王昭磊 圖片來源：斯托克公司 把關(guān)專家：中國航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）