为何重复使用火箭试验 都选择10公里这个高度?

摘要:

近年来,重复使用火箭技术的发展成为全球航天领域的热门话题。尤其是在商业航天领域,各国公司都在争相开发能够垂直起降的可重复使用火箭。而在这一过程中,10公里高度似乎成为了验证可重复火箭技术的重要“门槛”。无论是美国的SpaceX,八院的验证箭,还是朱雀三号的VTVL-1,10公里这个高度总是在测试中反复出现。

那么,为什么选择这个高度?它对于可重复火箭技术的验证意味着什么?翻过这个坎,前方真的就一片坦途了?今天,我们就花点时间专门聊聊它。

第一个需要回答的就是——10公里的高度,到底意味着什么?其实,在火箭发射过程中,10公里这个高度并不是特别显著的一个“里程碑”,它甚至还未突破大气层,尚处于地球的对流层内。然而,对于可重复使用火箭来说,这却是一个至关重要的高度。首先,10公里以下的大气密度较大,空气阻力强烈。在这样的环境下,火箭在上升和下降过程中都将经历巨大的压力和空气阻力 。这意味着火箭的姿态控制系统、稳定性控制系统、以及栅格舵等辅助设备都需要经受严峻考验。此外,火箭在此高度还会经历“最大动压”,即空气动力对火箭施加的最大压力。这是火箭飞行过程中最为复杂的阶段之一,火箭需要在这个阶段保持平稳,以避免结构受损或发生故障。其次,10公里是火箭在飞行过程中需要经历超音速和亚音速状态变化的高度 。对于可重复火箭来说,这也是一次验证“跨音速”控制能力的机会。跨音速是指火箭从亚音速,即小于音速过渡到超音速超过音速的过程。在这个阶段,气流的变化会对火箭的姿态和控制系统产生巨大的扰动。因此,10公里的飞行高度不仅能够测试火箭的耐受性,还可以验证火箭在跨音速下的稳定性和精确控制能力。这一高度被选为关键的试验点,正是因为其代表了火箭在极端条件下的性能测试。

那么,完成这一10公里级的飞行,又意味着什么呢?可以说,它标志着火箭技术的一个重大进步。首先,火箭在这样的高度返回并成功着陆,意味着其具备了基本的重复使用能力。正如中国朱雀三号的设计团队所强调的,这一飞行成功表明火箭的发动机、栅格舵等核心部件可以在返回过程中精确配合,并保持稳定。但是,成功完成这一高度的试验,并不意味着前方再无阻碍。10公里的飞行虽然验证了火箭在部分复杂环境下的适应性和控制能力,但距离真正的轨道级飞行仍有很大差距。在更高的高度,火箭需要面对更严峻的挑战,尤其是再入大气层时的高温和极高速度。对于中国的可重复火箭技术而言,10公里的飞行成功,更多的是意味着技术的验证已进入关键阶段。火箭的垂直起降技术已经有了初步的成果,但后续需要解决的,还有如何实现更高高度的垂直回收,以及应对再入过程中产生的巨大热量和动能。比如再入大气层时产生的高温如何有效防护;比如火箭的着陆精度和速度控制如何进一步提高;再比如,火箭的结构如何足够轻盈,但又要足够坚固,以应对多次使用的疲劳损耗等等。我们期待着,随着技术的逐步成熟和飞行次数的增加,这些问题将逐步得到解决。

而说到我国可重复火箭技术的发展与现状,一个无法绕过的点就是SpaceX的成就了。SpaceX自2000年代初开始,就致力于研发能够重复使用的火箭,并于2015年首次成功实现了火箭的垂直回收。此后,SpaceX多次完成轨道级火箭的回收与重复使用,彻底改变了航天产业的成本结构。相比之下,中国的可重复火箭技术起步较晚。虽然近年来取得了显著进展,但与SpaceX仍存在一定差距。以朱雀三号VTVL-1为例,目前中国的测试还处于10公里高度的垂直起降阶段,而SpaceX早已实现了海上回收与轨道级火箭的重复使用。然而,这并不意味着中国航天没有赶超的可能。中国近年来在航天技术的研发上投入了大量资源,并在多次试验中取得了重大突破。从时间上看,中国可重复使用火箭的实用化进程或许还需5-10年左右才能达到SpaceX目前的水平。然而,中国庞大的市场需求,民营企业在技术创新上的投入,也会进一步缩短这一差距。

总而,10公里的飞行试验不仅是技术验证的重要一步,更是未来航天探索的基石。我国在这一领域虽起步较晚,但凭借持续的投入和技术积累,有望在不久的将来赶上SpaceX步伐,开启属于我们自己的可回收航天时代。

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