近年來，美國“獵鷹9”火箭為代表的低成本火箭，在可回收技術(shù)成熟后，其發(fā)射成本已經(jīng)拉平，甚至低于中國“金牌火箭”——長征2號及其后續(xù)產(chǎn)品長征7號的水平。

但中國航天人也沒閑著，航天科工和航天科技集團(tuán)最近都透露，正在研制新一代低成本火箭。其中，航天科技集團(tuán)副總裁透露，他們將研制新一代具備可回收能力的運(yùn)載火箭，報(bào)價(jià)有望降至每公斤5000美元水平(約3萬人民幣)。而航天科技集團(tuán)則表示，正在研制世界最大的固體燃料運(yùn)載火箭，其發(fā)射成本也將降低到每公斤1萬美元以下。

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心總體室主任陳洪波近日接受采訪時(shí)透露，中國可重復(fù)使用火箭研制正處于攻關(guān)階段，其最終目標(biāo)是單位有效載荷發(fā)射成本降低至現(xiàn)有一次性運(yùn)載火箭的十分之一。

長征六號運(yùn)載火箭成功發(fā)射(圖片來自微信公眾號“中國航天科技集團(tuán)”)

航天科技副總經(jīng)理：可重復(fù)使用火箭

在近日舉行的中國航天高峰論壇上，中國航天科技集團(tuán)公司副總經(jīng)理?xiàng)畋ＨA給出了一個(gè)誘人的報(bào)價(jià)，稱低軌衛(wèi)星發(fā)射將來可能的預(yù)期報(bào)價(jià)為每公斤約5000美元。要知道，中國目前在國際上最具商業(yè)優(yōu)勢的快舟一號甲火箭，其發(fā)射成本約為每公斤1萬美元。

從“成本約1萬美元”到“報(bào)價(jià)約5000美元”，如此大膽的預(yù)期的根據(jù)是什么呢?

據(jù)人民日報(bào)海外版4日報(bào)道，楊保華透露了一個(gè)在人們意料之中的關(guān)鍵詞，“可重復(fù)使用火箭”。只有實(shí)現(xiàn)可重復(fù)運(yùn)載火箭的技術(shù)大跨越，才有可能這樣大幅降低發(fā)射成本，為從根本上提高中國商業(yè)航天的國際競爭力奠定雄厚基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)上，航天科技集團(tuán)是我國承擔(dān)商用衛(wèi)星發(fā)射的主要企業(yè)，但在最近，它常被網(wǎng)友戲稱為“主業(yè)是送人上西天”的，主要承擔(dān)導(dǎo)彈研制任務(wù)的航天科工集團(tuán)也在進(jìn)軍商業(yè)航天。

最近還有報(bào)道指出，該集團(tuán)正在研制大直徑固體運(yùn)載火箭。將開發(fā)快舟11、快舟21、快舟31等低成本固體運(yùn)載火箭。據(jù)稱，快舟系列火箭將采用移動(dòng)方式發(fā)射，對發(fā)射場的要求比較低。主要的追求目標(biāo)是控制成本，每公斤載荷的費(fèi)用將會控制在1萬美元以內(nèi)，具有“低成本、快響應(yīng)、市場化”的特點(diǎn)。

據(jù)新聞聯(lián)播稱，日前，四院提前透露了一項(xiàng)顛覆性技術(shù)研制進(jìn)展 ，運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料纏繞技術(shù)制造的固體火箭，將用在明年發(fā)射的快舟11號火箭上。一旦實(shí)現(xiàn)就可以用于直徑為4.2米的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。這將超過世界上最先進(jìn)的3.6米的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，用于快舟21號、快舟31號上。

可重復(fù)使用火箭研制正處于攻關(guān)階段預(yù)計(jì)在2020年左右“首飛”

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心總體室主任陳洪波近日接受采訪時(shí)透露，中國可重復(fù)使用火箭研制正處于攻關(guān)階段，其最終目標(biāo)是單位有效載荷發(fā)射成本降低至現(xiàn)有一次性運(yùn)載火箭的十分之一。與有望大幅降低成本相應(yīng)的是發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間也可以大幅壓縮。傳統(tǒng)火箭發(fā)射準(zhǔn)備動(dòng)輒數(shù)月，而可重復(fù)火箭則有望做到大幅提升空間快速響應(yīng)能力，做到快速檢測，快速發(fā)射，未來可以像飛機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)航班化的天地往返運(yùn)輸。

“預(yù)計(jì)在2020年左右，我國自主研制的可重復(fù)使用運(yùn)載器將完成‘首飛’，并將實(shí)現(xiàn)10天10次發(fā)射、單位有效載荷發(fā)射成本降低至現(xiàn)有一次性運(yùn)載火箭的五分之一等目標(biāo)。”陳洪波表示。

這款“中國造”運(yùn)載器的優(yōu)選方案是讓火箭一級二級并聯(lián)組合，形象來說是一級“背著”二級、二級機(jī)身設(shè)置有效載荷艙。完成各自任務(wù)以后，一二級分別水平降落至著陸場。

值得注意的是，美國國防高級研究計(jì)劃局主導(dǎo)的XS—1(試驗(yàn)性太空飛機(jī))也計(jì)劃在2020年完成飛行試驗(yàn)。

陳洪波透露，中國正在規(guī)劃開展火箭動(dòng)力與組合動(dòng)力完全重復(fù)使用運(yùn)載器的攻關(guān)研制。如果順利，將在2030年前全部完成可重復(fù)使用運(yùn)載器的研發(fā)及飛行試驗(yàn)，成為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用運(yùn)載器研制的國家。他說，該運(yùn)載器將主要面向距地300至500千米高度的軌道，承擔(dān)未來中國空間站的人員、物資運(yùn)輸任務(wù)，滿足軍民兩用的有效載荷發(fā)射需求。

大幅降低成本和時(shí)間

可重復(fù)使用火箭是相對于“一次性運(yùn)載火箭”而言的概念，指運(yùn)載器從地面起飛完成預(yù)定發(fā)射任務(wù)后， 全部或部分返回并安全著陸，經(jīng)過檢修維護(hù)與燃料加注，可再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

上海宇航系統(tǒng)工程研究所高工徐大富博士表示，可重復(fù)使用火箭的優(yōu)點(diǎn)是減少運(yùn)載器一次性使用后拋棄昂貴的箭體、發(fā)動(dòng)機(jī)及電氣設(shè)備造成的浪費(fèi)，通過多次使用分?jǐn)傎M(fèi)用來降低運(yùn)載器的生產(chǎn)與發(fā)射成本。關(guān)于可重復(fù)使用火箭的類別，他介紹說，根據(jù)不同的分類方法可以劃分出很多類型，按重復(fù)使用程度可分為部分重復(fù)使用和完全重復(fù)使用，按入軌級數(shù)可以分為單級入軌和兩級入軌，按動(dòng)力類型可分為火箭動(dòng)力和吸氣式組合動(dòng)力。

可以反復(fù)多次使用，費(fèi)用每次分?jǐn)偖?dāng)然就可以把成本降下來，可重復(fù)使用火箭降低成本的道理不難理解。對于降低成本的幅度，世界上掌握可重復(fù)火箭技術(shù)的公司之一美國太空探索技術(shù)公司曾給出官方預(yù)期數(shù)據(jù)。

該公司副總裁肖特韋爾曾稱，一級火箭回收復(fù)用的初期目標(biāo)是降低30%發(fā)射費(fèi)用，多次復(fù)用后將降低60%以上。太空探索技術(shù)公司重復(fù)利用的“獵鷹9”火箭總造價(jià)據(jù)測算約為5000萬美元，而推進(jìn)劑的成本只有20萬美元，如果重復(fù)使用技術(shù)將來進(jìn)一步走向成熟和完善，其降低成本的空間無疑巨大。

三種方式實(shí)現(xiàn)可回收

可回收火箭技術(shù)是世界航天領(lǐng)域一顆最璀璨的“明珠”，是航天大國激烈角逐的最前沿領(lǐng)域之一。關(guān)于火箭子級回收的具體技術(shù)，中國空間技術(shù)研究院研究員龐之浩介紹說有三種。

第一種是降落傘垂直下降方案，即在火箭分離后先進(jìn)行空中制動(dòng)變軌進(jìn)入返回地球大氣層的返回軌道，接著在低空采用降落傘減速，最后打開氣囊或用緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)著陸。這種方案與回收飛船返回艙和返回式衛(wèi)星類似。

第二種是動(dòng)力反推垂直下降方案，其空中變軌制動(dòng)同第一種，但在低空采用發(fā)動(dòng)機(jī)反推減速，以垂直下降方式降落地面，美國“獵鷹9”火箭采用的就是這種方案。

第三種是滑翔飛行水平降落方案，即箭體采用翼式飛行體，在變軌制動(dòng)后，火箭像飛機(jī)一樣水平降落返回地面。這種方案又分為有動(dòng)力和無動(dòng)力兩種，后者完全依靠翼身的氣動(dòng)力滑翔飛行(與美國航天飛機(jī)著陸類似)，而前者是采用裝有渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的翼式飛行體，在返回地面過程中啟動(dòng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行巡航機(jī)動(dòng)飛行，可實(shí)現(xiàn)更大范圍的回收區(qū)選擇(與蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)著陸類似)。

資料圖

堅(jiān)持沿著兩條路徑發(fā)展

中國對可回收火箭的研究早就開始了。2011年，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心開始設(shè)立可回收火箭項(xiàng)目，成立了由研究發(fā)展中心副總研究師申麟領(lǐng)銜的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，并對致力于可回收火箭研發(fā)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)研分析，對上述三種回收方式進(jìn)行了深入論證。

《2016中國的航天》白皮書雖然沒有使用“可回收火箭”這一詞匯，但在“未來五年的主要任務(wù)”第一部分“航天運(yùn)輸系統(tǒng)”中提出，“開展低成本運(yùn)載火箭、新型上面級、天地往返可重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)等技術(shù)研究”。其中“低成本運(yùn)載火箭”在很大程度上就是指“可回收火箭”。

對中國可回收火箭目前的研發(fā)狀況，申麟近日接受記者采訪表示，從總體上來講，正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。具體來說，在技術(shù)路徑方面，中國沒有選擇單一方式，而是堅(jiān)持“兩條腿走路”，即沿著“降落傘+氣囊”和“垂直降落”兩種方式進(jìn)行研發(fā)。在研究進(jìn)展方面，前一種回收方式走得更快一些。2015年11月，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行了運(yùn)載火箭子級回收群傘空投試驗(yàn)。對試驗(yàn)結(jié)果，申麟認(rèn)為，雖然只是一個(gè)縮比試驗(yàn)，但是驗(yàn)證了使用大型群傘的技術(shù)能力，獲得的數(shù)據(jù)也很好地支撐了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和論證工作。

“降落傘+氣囊”回收方式試驗(yàn)的成功在很大程度上得益于中國在此方面的技術(shù)積累，實(shí)際上，經(jīng)過數(shù)次實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)的神舟飛船返回艙就是采用這種方式成功地在目標(biāo)區(qū)域回收。對于“垂直降落”回收方式的研究也在緊鑼密鼓進(jìn)行中，申麟透露說，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心已完成了系統(tǒng)的方案論證和相應(yīng)的仿真研究。

運(yùn)載火箭技術(shù)正處在發(fā)展進(jìn)步之中，特別是新型燃料的采用，將可能為回收技術(shù)的演進(jìn)開辟新的路徑?；蛟S正是從這個(gè)角度上，申麟在展望中國火箭回收技術(shù)在“十三五”期間的發(fā)展時(shí)，把目光投向以液氧甲烷為推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭，他希望與團(tuán)隊(duì)一起努力，在火箭回收技術(shù)上取得新的重大突破，早日打造出屬于中國的能大幅降低成本的可回收火箭。