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火箭怎么“回家”|红领巾爱科学

IP属地 北京 编辑:朱天宇 大力财经 时间:2025-06-06 13:31:29

《我们爱科学》栏目组 作者:九一

我国的人造飞船每年都要穿梭宇宙数次,然而,那些送飞船上天的火箭,还没有“飞回家”的体验——火箭回收。火箭回收到底难在哪儿?火箭从“离家”到“回家”,一共分几步?

太空“班车”

火箭发射我们都很熟悉了。随着“3、2、1,点火!”的口令,火箭尾巴冒着火光和浓烟,腾空而起,飞向太空。之后,火箭二级进入遥远的宇宙,而火箭一级落回地面,成为残骸,至此,火箭的使命就完成了。

但经过长时间研究摸索后,科学家发现,就像我们坐的公交车或地铁一样,火箭也可以是来回往返的运输工具。火箭如果能回收继续使用,变成定时定点发射的太空“班车”,而不是一次性消耗品,会有更多好处。

传统的火箭发射,科研人员一边要盯紧时间窗口,找到适合发射的时间,在适合的时间前完成所有工作,一边还得紧锣密鼓地准备新的火箭。

重复使用的火箭,可以大大降低成本。科学家说的回收火箭,目前主要是回收火箭一级。火箭一级的成本占整个火箭的70%,回收之后可以大大降低火箭的成本。火箭一级可以回收,意味着不用再花费大量的时间和精力重复制作这部分。回收后的火箭一级经过检修,确认合格后就可以继续出发。可回收火箭还能大幅提高发射频率和发射灵活性,为组建卫星网络和大规模太空探索提供运力。

火箭“回家”分几步

愿望虽然美好,但实现的过程很难。要想让火箭一级回到地球上,需要三步。

第一步是火箭飞行中进行的箭体分离。火箭升空到100多千米高度后,二级进入太空,位于二级下方的一级发动机关闭。这时候一级要想“回家”,需要先“掉头”,调整姿态。

第二步,掉头后的火箭进入返航过程,此时它的速度很快,需要发动机二次点火,产生阻力,把速度降下来。

第三步,也就是最后一步,着陆悬停。火箭回到地面的理想姿势是尾部向下站立地面。因此,还需要发动机再一次点火,帮助调整姿势,给火箭一个反推力,让它在着陆时速度为0,且速度不会再增加。

这个过程的每一步都不容易。

整个过程中,发动机的推力需求不断变化,因此,需要精确调节推力,并且具备多次“踩油门”“踩刹车”的能力。这对发动机的控制系统和燃料供应系统都有很高的要求,要确保发动机能够稳定、可靠地在不同推力状态下快速响应指令。

多次的发射和回收过程,也对发动机的可靠性和耐久性提出了很大的要求。发动机的部件需要能够承受高温、高压和震动等恶劣环境,并继续保持良好的性能。

在返回过程中,任何干扰因素,比如高空大风和大气阻力,都可能影响火箭落地的精准性。因此,火箭需要精准的制导系统和精确的导航算法,能够实时根据火箭的位置、速度和姿态进行控制和调整,才能让火箭落在既定回收位置上。一旦角度不对,火箭极有可能倾覆,引发燃料外泄导致爆炸。

在火箭回收过程中,再次进入大气层时,火箭会与空气产生剧烈的摩擦,火箭表面的温度会急剧升高。因此,必须使用热防护材料来保护火箭,尤其是火箭的心脏——发动机。

只有这些都有保证,才能让火箭“回得准”“落得稳”和“用得久”。

朱雀三号登场

我国的朱雀三号就是一枚可回收火箭。它箭体直径4.5米,全箭总长76.6米,起飞质量约660吨。

2024年9月,朱雀三号进行了10千米垂直起降返回飞行试验。在起飞约113秒后发动机关机,此时火箭依靠惯性,继续飞行至距离地面1万多米的最高点。在这个过程中,火箭依靠自身来稳定飞行姿态,抵抗高空横风干扰。

经过约40秒后,在火箭高度降至4640米时,发动机进行空中二次点火,火箭进入着陆减速段。最后朱雀三号在回收场实现了软着陆。

朱雀三号火箭的优点:

高复用次数:朱雀三号的一级火箭设计复用次数不少于20次,这意味着它可以进行多次发射和回收,显著降低每次发射的成本。

先进的着陆技术:朱雀三号配备了4个栅格舵,这些栅格舵用于姿态调整与落点控制,使得火箭着陆更加可控。

适应性强的着陆腿:火箭安装有着陆腿,不仅适用于陆地回收,还能适应海上回收,这增加了回收地点的灵活性。

环保的燃料选择:朱雀三号使用的是液氧甲烷作为燃料,相比传统的液氧煤油,液氧甲烷燃烧后积碳的可能性小很多,这有利于火箭回收后的清洗和检修,同时也更加环保。

精确的制导和导航系统:在10千米垂直起降试验中,朱雀三号能够在复杂的大气环境中准确返回着陆点。

热防护技术:朱雀三号在返回大气层时,需要面对与空气剧烈摩擦产生的高温,因此,必须使用高效的热防护材料和技术来保护火箭,尤其是发动机部分,确保回收后的火箭能够再次使用。

供  稿 | 《我们爱科学》栏目组 作者:九一

编  辑 | 于璧嘉

责  编 | 王 彬

审  核 | 雷智颖

值班编委 | 李 辉 张巧云

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