天外归“箭”
我国重复使用运载火箭技术取得重大突破
中央纪委国家监委网站 初英杰
7月10日，长征十号乙运载火箭在海南商业航天发射场发射升空。宿东 摄
试验队队员正在进行火箭总装测试工作。徐可译 摄
重要论述
探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。
点火，升空！7月10日12时15分，长征十号乙运载火箭（简称长十乙火箭）在海南商业航天发射场二号工位发射，将卫星顺利送入预定轨道。
返航，降落！火箭一二级分离约6分钟后，火箭的一子级垂直返回，在海上回收平台成功回收。
这是我国首次成功实施运载火箭一子级可控回收，也是全球首次成功以海上网系捕获方式进行火箭回收，标志着我国在重复使用火箭技术领域取得新的标志性突破，将为构建高效航天运输系统奠定坚实基础。
作为我国首型成功实施回收的重复使用运载火箭，长十乙火箭具有哪些优势，此次任务验证了哪些关键技术？冲上天的火箭，如何返回，怎样精准落入海上的一张“大网”？
成功返航，验证多项关键技术
点火后，长十乙火箭直冲云霄。
火箭一子级在发动机完成加速飞行后与二子级分离，踏上不同旅程。二子级将卫星精准送入预定轨道，同时完成箭体钝化处置。一子级还处于随着惯性高速爬升的状态，怎样返航呢？
“首先要进行滑行调姿，在空中‘调头’。在这一阶段，箭体上的栅格舵系统展开并完成再入姿态调整。推进剂沉底管理系统同步工作，将储箱内的推进剂沉降集中至底部，为后续发动机再次点火做好准备。”中国航天科技集团有限公司陈牧野介绍，接下来，要减速了。先进入动力减速段，发动机在高空再次点火，像踩刹车一样减缓速度。短暂工作后，发动机关机。箭体高速进入稠密大气，依靠栅格舵产生的气动阻力减速飞行。降到一定高度，发动机再次点火，火箭转入着陆段。
级间分离、空中“调头”、减速“刹车”、精准着陆……全程处于复杂气流中的一子级，短短几分钟内完成了一系列极限动作，就像表演一套高难度、高精度的“空中体操”。
上得了天空、回得了地球的长十乙火箭，由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院（简称火箭院）抓总研制。
该型火箭采用5米直径两级串联构型，为大型液体运载火箭。5米直径是当前大型运载火箭的主流设计直径，意味着能容纳更大推力发动机、更多推进剂，可以满足大运力需求。
长十乙火箭的芯一级沿用长征十号甲运载火箭（简称长十甲火箭）一子级状态，采用液氧煤油推进剂，有7台发动机；芯二级则采用液氧甲烷推进剂，有1台发动机。从推进剂的选择来看，更加绿色环保。液氧甲烷推进剂还具有重复使用性强、成本低、比冲高等优势。
据介绍，长十乙火箭全箭起飞推力约890吨，起飞重量约760吨。重复使用状态下，其近地轨道运载能力为16吨，可以满足低轨卫星互联网星座部署、大型商业卫星发射等各类任务的需求。由于运力大、性价比高，该型火箭在复用状态下可大幅降低发射成本。
这次任务是长十乙火箭的首次飞行试验，也是长十甲火箭的全剖面飞行验证，意义重大。
今年2月11日，长十甲火箭低空演示验证飞行试验任务成功实现海上溅落回收。但当时只验证了基础动力与回收系统的初步功能，一子级在我国首艘火箭网系回收船“领航者”号的引导下，溅落在预定海域。而长十乙火箭此次任务中，一子级为全状态，执行从起飞到回收的全剖面飞行任务，完整呈现了真实发射场景下的载荷入轨与箭体回收流程。
“本次任务成功验证了组合构型总体优化设计技术、大推力箱底传力技术、基于隔板贮箱的推进剂管理技术、甲烷自生增压技术等，进一步验证了发动机多次启动和高空点火、复杂力热环境适应性、高精度导航控制技术，特别是成功验证了海上平台网系捕获回收等多项一子级重复使用关键核心技术。”陈牧野表示，凭借先进的总体设计和技术创新，长十乙火箭成功完成首飞任务，标志着我国重复使用运载火箭技术从单项验证到系统集成迈出了关键一步。
箭地协同，一张网“抱”住归来箭
南海预定海域，回收船“领航者”号上，一张巨型柔性阻拦网早已张开，等待火箭归来。
“领航者”号长144米、宽50米、吃水5.5米，满载排水量2.5万吨，具备DP2动力定位能力。它与网系回收装置等组合构成了海上回收平台，成为茫茫大海上一个稳定而又精准的移动着陆场。
近了，近了！长十乙火箭一子级的身影，在视野中越来越大。近了，进了！它正中“靶心”，落入了“大网”温柔的怀抱。
火箭从发射状态改为返回状态，穿过大气层，在复杂气流中精确控制姿态和速度，平稳到达指定地点——这个过程，比发射还难。
网系回收，正是中国航天人基于我国火箭技术特点而自主研发的技术路线。
据介绍，关于火箭回收模式，业内有伞降回收、有翼水平回收、垂直起降回收等几种尝试。网系回收属于垂直起降回收的一种方式，主要是在海面上空布设阻拦索，当火箭降至一定高度时，其箭体上的挂索机构启动，稳稳挂在4根“井”字形绳索上，从而完成捕获回收。
相比当前有着陆腿的垂直起降回收方案，网系回收对火箭的着陆指标更为友好。“网系回收一来简化了箭上结构，火箭无需再配备复杂的着陆腿，减轻了箭体重量，提高了运载能力和效益；二是对火箭落点偏差的适应能力强，可通过网系的协同来‘放大’捕获窗口；三是网系回收系统可以通过系列化设计，满足不同规模火箭的回收需求。”陈牧野说。
听上去容易，但是要想让火箭回收“控得住”“回得准”“落得稳”“接得住”，并不是简单的“张网以待”。“船”要找“箭”，“箭”也要找“船”，二者要在运动中实现高精准的协同匹配，要在气流影响、海浪扰动下完成高动态“对接”。其难度，就像让一支笔从百层高楼上精准落入地面上的笔筒中。
“火箭下降时并非完全直落，有一定的机动滚转。海上回收平台在风浪中也绝非静止，虽然‘领航者’号配备了DP2级动力定位系统，能抵抗漂移，但也无法完全消除晃动。”陈牧野介绍，同时，与在陆地上回收相比，海上回收还要考虑不同海况下回收船运动特性对箭体着陆缓冲及稳定的影响，等等。
“箭”与“船”之间，要实时交换对方的位置、姿态等信息，主动补偿角度偏差。这是一场精密的“双向奔赴”。
火箭到达网系上空后持续减速，网系回收装置通过滑车驱动绳索准备接驳箭体。火箭根据导航与定位系统实时获取的信息，及时调整姿态和速度；网系回收装置则实时监测火箭状态，控制绳索运动。“箭地协同”，火箭精准入网，箭上挂索机构与绳索接触，箭体缓慢下降并被精准捕获。之后，回收系统进一步固定箭体——首先，辅助稳固绳索从四周对箭体进行初步固定；然后，自动锁紧平台移动至箭体下方，完成抱夹锁紧支撑——就像给火箭系上了安全带。
陈牧野说：“这是国内首次工程化应用海上平台网系捕获回收技术。这一技术路线以‘简化箭上，箭地协同’设计理念，增强了回收火箭着陆偏差适应性，为重复使用火箭提供了更灵活的回收方案。”
重复使用，推动探索太空的脚步迈向更远
长十乙火箭一子级回收之后，什么时候能重复使用？
别急，要实现复用，它还得经过“体检”——被运回厂房，接受拆检、测量和评估。长十乙火箭研制团队将按计划开展一子级复用飞行验证，持续优化火箭性能，加快重复使用火箭技术迭代升级，为我国构建高效航天运输系统奠定坚实基础。据介绍，预计今年年底前，将完成一子级复用飞行。
为什么要开展火箭回收复用工作？传统火箭是一次性运输工具，造价昂贵。火箭重复使用，符合低成本、高频次、可持续的航天发射任务趋势，是未来人类大规模自由进出空间的重要路径。
我国的长征十号系列运载火箭，目前包括长征十号甲运载火箭、长征十号乙运载火箭，以及正在紧锣密鼓研制中的长征十号丙运载火箭（简称长十丙火箭）。
其中，长十甲火箭是我国新一代近地载人火箭，主要承担低轨载人和载货任务，被认为是“未来近地载人的核心力量”，能更安全、快捷、高效地执行空间站任务。作为我国重复使用火箭研制的“开路先锋”，长十甲火箭一子级采用了重复使用设计，突破了关键技术瓶颈。
与长十甲火箭承担国家重大工程任务不同，长十乙火箭主要瞄准我国商业航天发射市场，运力更强、适应性更广，适配商业航天批量发射需求。
它不仅可以利用回收后的长十甲火箭一子级执行发射任务，还能为长十甲火箭的载人任务积累飞行数据，使其进一步提升可靠性。在测发模式上，它从发射便捷性出发选用了“三平”（水平总装、水平测试、水平转运）测发模式，这种模式占用发射工位时间短，能大幅提高发射频率。在可靠性保障方面，它通过全状态地面试验、多轮仿真验证及关键部件冗余设计，确保了火箭飞行过程的稳定性与安全性。
正在研制中的长十丙火箭，一子级和二子级全部采用液氧甲烷作为推进剂。它也采用了“三平”测发模式。这样的设计，使其运载能力更强，能更好地满足不同商业发射任务的需求。
“在这三型火箭的研制过程中，融入了模块化、系列化的设计理念。它们采用‘一个直径、两型发动机、三个模块’的设计思路，可实现生产制造条件的高效继承与复用，在应对未来高频次发射任务时，能更快速地统筹生产资源、发射工位等保障条件。”陈牧野说，长征十号系列运载火箭将构成我国航天运输系统的核心能力底座，不断提升我国重复使用火箭的技术水平和高频次复用发射能力，推动人类探索太空的脚步迈向更远。
链接丨巨臂擎箭
长征十号乙运载火箭首飞告捷，作为托举火箭昂首问天的关键装备，三平起竖转运装置备受关注。
作为长十乙火箭的“专属座驾”，它由火箭院北京航天发射技术研究所研制，是我国目前最大规模运载火箭起竖转运装置，总长约70米。它是为5米级运载火箭“三平”测发模式量身打造的，集水平承载、整体转运、同步翻转起竖、发射支撑等功能于一体，具有承载能力强、集成度高、成本低、发射后恢复快等优势。长十乙火箭从装配、测试、转运，到起竖、加注、起飞，该装置全程担当重任。
它身轻力大，能擎重箭。研发团队采用大尺度、高刚度、轻质化结构设计技术，使其结构紧凑、功能完备，不但能“举得起”，对发射场基础设施的要求还低。
它有“零秒”绝技，收放自如。火箭点火起飞瞬间，起竖转运装置要面临高温热流、剧烈振动等多重考验。为了让火箭安全起飞，该装置集成了两项“零秒”技术，即零秒快速牵制释放、零秒脱落加注连接器，实现起飞瞬间完成“脱、放、倒”三大动作，快速脱离发射环境。
它有“千钧”载荷，却有毫米级精度。在该装置底部，“品”字形排布着三台自行式轴线车，额定载荷1080吨，却能实现毫米级的控制精度。在发射区对接“穿轴”动作时，三车联动的运动控制精度不大于5毫米，相当于载重数百吨至千吨的车辆完成毫米级的“倒车入库”，确保躺在“臂弯”里的火箭平稳、精准抵达发射区。
三平起竖转运装置是托举长十乙火箭顺利升空的第一步。其成功应用，标志着中国航天在火箭地面发射支持系统突破了5米直径“三平”测发模式起竖转运技术，大幅缩短发射准备时间，为未来高密度、快速响应的发射任务提供了坚实支撑。（中国运载火箭技术研究院）
中国法治新闻网摘编：亓淦玉 |
