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中国新一代可回收火箭完成“第一跳”

原标题:中国新一代可回收火箭完成“第一跳”

2019年3月27日下午4时许,翎客航天在位于山东龙口的火箭回收试验场完成了公里级可回收火箭(昵称:新航线小宝贝;工程代号RLV-T5,Reusable Launch Vehicle-Test 5)首次自由状态下的低空飞行回收试验,并取得圆满成功。至此,翎客航天继2018年1月实现RLV-T3型火箭低空回收及平移,2019年1月实现RLV-T5型火箭悬停飞行试验后,在国内的火箭回收技术领域又创下了一个新的里程碑。

“新航线小宝贝”火箭回收试验

相信很多人都好奇,这样的一枚火箭回收试验成功到底意味着什么?实现了多少技术突破?期间又经历了多少坎坷?其所产生的技术成果有什么样的价值?接下来,我们将会通过这篇文章带你全面深入地了解火箭回收成功背后所需付出的汗水和努力。

根据翎客航天规划的火箭垂直起降回收技术迭代路径,2018年3月正式启动了工程代号为RLV-T5的可回收火箭研制工作。这枚火箭设计的初衷是实现火箭“公里级”的回收技术验证。在此过程中需要进行多台发动机并联点火空中悬停等多项关键技术验证,最终实现一公里的飞行并返回。而这看似不高的一公里,对于火箭回收有着非凡的意义。

全球唯六家实现火箭垂直起降技术的民营公司

SpaceX在2015年第一次成功回收火箭以来,全球火箭发射的市场价格就被不断拉低,这使得人类从大航海时代跨入大航天时代变得翘首可待。此后,国内外多家科研单位和公司相继发布了各自可回收火箭的研制计划。

在国内,翎客航天于2015年6月最早启动可回收火箭的研制并开展了数百次地面试验和飞行试验。在国外,最广为人知的SpaceX的Falcon-9 V1.1回收之前也通过Grasshopper系列(俗称“蚱蜢火箭”)进行了多次回收技术验证试验,而其最后公开的飞行高度数据就是1000米,并在不久之后的入轨发射任务中进行一子级火箭回收尝试,于2015年12月在地面着陆场首次成功回收。

可以说没有当年的“蚱蜢”就没有现在的“猎鹰”

除了SpaceX的Grasshopper(验证对象:Falcon-9)之外,即将于近期进行第一跳的Starhopper(验证对象:Starship) 以及蓝色起源的Charon与Goddard都是为了在最短时间、最小投入下进行火箭回收技术快速验证迭代,积累试验数据并加快其成熟。

准备进行低空垂直起降飞行试验的Starhopper

2018年5月,RLV-T5型火箭完成了方案详细设计并正式投产。全箭高度8.1米,起飞质量1.5吨,动力系统采用5台可变推力的液体火箭发动机并联组成,其总体构型、着陆机构等部分核心技术充分考虑了继承性,其控制算法框架及试验研制流程可继承至首型商业运载火箭新航线一号(NewLine-1),这也是为什么RLV-T5称之为“新航线小宝贝”(NewLine Baby)的原因。

2018年6月,该型火箭的配套地面系统,包括火箭总装车间、火箭综合保障车、地面固定试车工位、火箭回收试验场等完成了方案设计并投产。

中国第一个用于火箭回收的着陆场

值得一提的是,火箭综合保障车可以实现火箭转场转运、起竖校准、燃料加注等地面功能。简单来说,有了这辆综合保障车,就可实现“一车一箭”拉了就跑,随时随地发射的能力。在后续的保障车方案中还将添加与箭上相同的辅助定位系统,在火箭软着陆返场后,实现地面系统对接、箭体放倒回收等功能。

RLV-T5型火箭及综合保障车

2018年9月,火箭各组件齐套并完成相应单机测试,全箭进入到地面总装阶段。与此同时,地面固定试车工位完成相应改造工作。

RLV-T5型火箭完成结构总装

2018年10月7日,全箭完成各类地面冷态试验,转运至固定试车工位,进行了首次地面全系统热试车,5台发动机发出第一声咆哮。根据试验结果,火箭动力系统启动同步性等各项数据正常,符合设计要求。

固定工位上的全系统试车

在随后的2个月中,项目团队又进行了十余次地面固定试车,动力系统的推力调节能力、发动机两自由度矢量摆动特性等得到充分验证,积累了大量实测数据,为火箭悬停飞行及可控着陆奠定了关键基础。

2019年1月初,RLV-T5型火箭进行了首次系留状态下的定高定点悬停飞行试验,并在第一次试验中就实现了精准的控制效果:在三级风以下的外部环境中可实现±0.05米的定高及定位精度,飞行弹道和控制精度均符合预期,试验取得圆满成功。

定点悬停作为验证火箭回收技术中至关重要的环节,它的成功验证了发动机矢量摆动的能力、快速深度调节的能力、控制算法的控制能力,全箭各系统已满足回收所需的基本条件。

“新航线小宝贝”系留保护下的首次悬停试验

在随后的两个月中,项目团队在进行算法优化的同时,也进行了不同干扰条件下的试验,例如:在强风环境中能否实现稳定的定高定点,在滚控失效的情况下能否保持稳定飞行,在对称发动机失效的情况下能否保持飞行姿态稳定等。也正是经过这些极端环境下的反复试验,火箭控制算法完成优化,鲁棒性大幅提升。而这些近乎于真实发射任务中的意外情况,在传统一次性火箭的验证手段中是不可想象的,这也是可回收火箭在工程技术验证中的明显优势。

通俗来说,可回收火箭可以在正式发射任务前,进行不同高度、不同速度、不同环境下的飞行及回收试验,在难度递增的同时,对全箭各系统能否正常工作,提供了最直接有效的验证。

说了这么多,大家肯定想知道在经历这么多次的迭代后,火箭到底能飞多稳?实现什么样的控制效果?下面这个视频会给大家带来最直观的感受。

火箭空中“钉钉子”了解一下

在过去一年中,翎客航天项目团队从设计到制造、从总装到试验、从地面系统到火箭系统,全系统全方位深度参与。可以说团队中的每个人都在该过程中对这枚火箭有了充分的认知,对自由首飞的那天也越发期盼。

2019年3月27日下午4时许,在经历了2个小时的准备工作后,现场总控岗确认火箭各项技术状态及数据信号满足首飞条件,进入倒计时阶段。

随着总指挥“5、4、3、2、1,点火!”的口令下达,“新航线小宝贝”火箭即刻起飞,在升空至20米处完成了悬停动作并在数秒后平稳着陆至回收试验场中心区域。根据实时回传的数据判读,该次试验在平均风速5级、瞬时风速6~7级的强外干扰环境下实现了落点精度优于40cm的控制效果,总指挥随即宣布:“新航线小宝贝”首次回收试验取得圆满成功!

打造“新航线小宝贝”的核心技术团队

值得一提的是,本次火箭发射及回收试验的现场,除了翎客航天项目团队的成员外,还有两位特殊的客人——阿里云的创始人王坚博士和全球火星学会主席、前NASA工程师罗伯特·祖布林博士。两位专家在亲自见证了火箭成功回收后,均对火箭在强风干扰下精准的控制效果表示赞叹,也对研制团队的创新精神及高效的研制模式表示认可。

阿里云创始人王坚博士和前NASA工程师罗伯特·祖布林博士

该型火箭“第一跳”的首战告捷,不仅意味着我国可回收火箭技术在工程化验证的过程中取得了新的高度,也意味着在接下来的数个月中,还会有更多更高的“跳跃”等待着我们,要知道“新航线小宝贝”的目标是完成公里级返回。

除了正在进行试验的RLV-T5型火箭,翎客航天目前已启动亚轨道可回收火箭(工程代号RLV-T6型)的研制工作,预计最快于今年年底将完成全箭总装工作并公开亮相。亚轨道可回收火箭面向科研、军用、商用领域提供灵活可靠的发射服务,可将传统的亚轨道固体探空火箭发射成本降低至五分之一以下,未来火箭回收技术成熟后,还将进一步开拓太空旅游等新兴市场需求。

同时,翎客航天面向微小卫星发射的小型商业运载火箭新航线一号的研制也正紧张有序地推进,计划于2021年左右完成首飞,火箭一子级的发动机配置方式、着陆机构等会在后续型号的研制过程中,不断进行迭代、优化和继承。

翎客航天将继续专注于可回收火箭的方案迭代,坚定不移地以火箭回收作为技术主线,力争在不久的将来实现我国在可回收火箭领域更多的里程碑,尽快实现运载火箭的发射与回收。

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