為何重復(fù)使用火箭試驗，都選擇10公里這個高度？

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

為啥大家都選10公里，就是因為這個數(shù)字好聽嗎？

近年來，重復(fù)使用火箭技術(shù)的發(fā)展成為全球航天領(lǐng)域的熱門話題。尤其是在商業(yè)航天領(lǐng)域，各國公司都在爭相開發(fā)能夠垂直起降的可重復(fù)使用火箭。而在這一過程中，10公里高度似乎成為了驗證可重復(fù)火箭技術(shù)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復(fù)出現(xiàn)。那么，為什么選擇這個高度？它對于可重復(fù)火箭技術(shù)的驗證意味著什么？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。

第一個需要回答的就是——10公里的高度，到底意味著什么？其實，在火箭發(fā)射過程中，10公里這個高度并不是特別顯著的一個“里程碑”，它甚至還未突破大氣層，尚處于地球的對流層內(nèi)。然而，對于可重復(fù)使用火箭來說，這卻是一個至關(guān)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(huán)境下，火箭在上升和下降過程中都將經(jīng)歷巨大的壓力和空氣阻力 。這意味著火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、以及柵格舵等輔助設(shè)備都需要經(jīng)受嚴峻考驗。此外，火箭在此高度還會經(jīng)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為復(fù)雜的階段之一，火箭需要在這個階段保持平穩(wěn)，以避免結(jié)構(gòu)受損或發(fā)生故障。其次，10公里是火箭在飛行過程中需要經(jīng)歷超音速和亞音速狀態(tài)變化的高度 。對于可重復(fù)火箭來說，這也是一次驗證“跨音速”控制能力的機會。跨音速是指火箭從亞音速，即小于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(tài)和控制系統(tǒng)產(chǎn)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(wěn)定性和精確控制能力。這一高度被選為關(guān)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。

那么，完成這一10公里級的飛行，又意味著什么呢？可以說，它標志著火箭技術(shù)的一個重大進步。首先，火箭在這樣的高度返回并成功著陸，意味著其具備了基本的重復(fù)使用能力。正如中國朱雀三號的設(shè)計團隊所強調(diào)的，這一飛行成功表明火箭的發(fā)動機、柵格舵等核心部件可以在返回過程中精確配合，并保持穩(wěn)定。但是，成功完成這一高度的試驗，并不意味著前方再無阻礙。10公里的飛行雖然驗證了火箭在部分復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)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(zhàn)，尤其是再入大氣層時的高溫和極高速度。對于中國的可重復(fù)火箭技術(shù)而言，10公里的飛行成功，更多的是意味著技術(shù)的驗證已進入關(guān)鍵階段。火箭的垂直起降技術(shù)已經(jīng)有了初步的成果，但后續(xù)需要解決的，還有如何實現(xiàn)更高高度的垂直回收，以及應(yīng)對再入過程中產(chǎn)生的巨大熱量和動能。比如再入大氣層時產(chǎn)生的高溫如何有效防護；比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(jié)構(gòu)如何足夠輕盈，但又要足夠堅固，以應(yīng)對多次使用的疲勞損耗等等。我們期待著，隨著技術(shù)的逐步成熟和飛行次數(shù)的增加，這些問題將逐步得到解決。

而說到我國可重復(fù)火箭技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，一個無法繞過的點就是SpaceX的成就了。SpaceX自2000年代初開始，就致力于研發(fā)能夠重復(fù)使用的火箭，并于2015年首次成功實現(xiàn)了火箭的垂直回收。此后，SpaceX多次完成軌道級火箭的回收與重復(fù)使用，徹底改變了航天產(chǎn)業(yè)的成本結(jié)構(gòu)。相比之下，中國的可重復(fù)火箭技術(shù)起步較晚。雖然近年來取得了顯著進展，但與SpaceX仍存在一定差距。以朱雀三號VTVL-1為例，目前中國的測試還處于10公里高度的垂直起降階段，而SpaceX早已實現(xiàn)了海上回收與軌道級火箭的重復(fù)使用。然而，這并不意味著中國航天沒有趕超的可能。中國近年來在航天技術(shù)的研發(fā)上投入了大量資源，并在多次試驗中取得了重大突破。從時間上看，中國可重復(fù)使用火箭的實用化進程或許還需5-10年左右才能達到SpaceX目前的水平。然而，中國龐大的市場需求，民營企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)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(shù)驗證的重要一步，更是未來航天探索的基石。我國在這一領(lǐng)域雖起步較晚，但憑借持續(xù)的投入和技術(shù)積累，有望在不久的將來趕上SpaceX步伐，開啟屬于我們自己的可回收航天時代。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：甘戍冬 科普視頻創(chuàng)作者

審核：周炳紅 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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