熱知識(shí)！捆綁火箭海上發(fā)射的技術(shù)難度

回顧2023年商業(yè)航天領(lǐng)域的大事件,美國(guó)太空探索技術(shù)公司SpaceX星艦無(wú)疑是全世界流量焦點(diǎn)。這不奇怪,星艦作為商業(yè)重型運(yùn)載火箭,巨大的串聯(lián)式箭體本身就足夠“吸睛”,這樣的設(shè)計(jì)目的很明確,達(dá)成大推力、大運(yùn)載的星際航行目標(biāo)。而觀察世界各航天大國(guó)的中大型火箭,目前的主流則是選擇采用捆綁型技術(shù),以此滿足高可靠、大運(yùn)載的太空運(yùn)力需求,如德?tīng)査㈤L(zhǎng)征五號(hào)等。

事實(shí)上,在商業(yè)航天領(lǐng)域SpaceX同樣也以捆綁式火箭執(zhí)行面向中低軌道上的高載荷發(fā)射任務(wù),比如其打造的獵鷹9號(hào)重型版。而在中國(guó)的商業(yè)航天領(lǐng)域,同樣也誕生了中大型捆綁火箭,這就是東方空間的引力一號(hào)運(yùn)載火箭。相比于其他捆綁火箭不同的是,引力一號(hào)采用固體捆綁、海上發(fā)射的技術(shù)路線,以滿足高可靠、低成本、大載荷的中低軌道衛(wèi)星組網(wǎng)需求。那么,引力一號(hào)技術(shù)路線背后有著怎樣的現(xiàn)實(shí)考量呢?

捆綁技術(shù),商業(yè)航天運(yùn)力“倍增器”

早在100多年前,航天之父前蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基提出了“火箭列車”概念,把兩節(jié)以上火箭串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái),組成一列多級(jí)火箭提高第一宇宙速度,從而戰(zhàn)勝地球引力,串聯(lián)式和捆綁式火箭就是這一概念的技術(shù)延伸。

相比于串聯(lián)式火箭,捆綁式火箭具有一定的技術(shù)難度,但優(yōu)點(diǎn)也比較明顯。難度在于,火箭在飛行中級(jí)間分離的安全可靠性,特別是不能因助推器分離,而影響芯級(jí)火箭的工作和飛行姿態(tài);此外,捆綁式火箭一般采用側(cè)向分離,相對(duì)串聯(lián)式火箭的縱向分離,技術(shù)復(fù)雜性也較高。而優(yōu)勢(shì)在于,明顯縮短整個(gè)火箭的長(zhǎng)度,避免給結(jié)構(gòu)制造和飛行帶來(lái)必要的影響,并可適應(yīng)陸海兩種發(fā)射狀態(tài);更重要的,捆綁助推器能同時(shí)產(chǎn)生更大的推力,實(shí)現(xiàn)更大載荷飛行任務(wù),有效提升經(jīng)濟(jì)性,目前國(guó)內(nèi)運(yùn)載能力達(dá)到10噸以上的火箭均為捆綁火箭。事實(shí)上,未來(lái)火箭能力大幅升只有兩條路,一是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力和性能,另外就是捆綁并聯(lián)更多模塊,因此火箭捆綁技術(shù)是研制更大運(yùn)載能力火箭的關(guān)鍵技術(shù),據(jù)了解,東方空間除引力一號(hào)外,也同期開(kāi)展中大型火箭研制工作,將可以形成技術(shù)積累,為未來(lái)打造具有更高運(yùn)載能力的重型火箭,打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除了捆綁構(gòu)型,東方空間引力一號(hào)采用固體燃料推進(jìn)技術(shù),核心出發(fā)點(diǎn)就是尋求大載荷與經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)兼容,滿足大運(yùn)力、低成本、快發(fā)射的商業(yè)航天需求。據(jù)了解,由于燃料特性,固體火箭需要的零件數(shù)量更少、更加輕小,因此更具可靠性,且不需要發(fā)射前加注燃料從而極大的縮短了火箭發(fā)射準(zhǔn)備周期,具備快速響應(yīng)發(fā)射的特點(diǎn)。目前,固體火箭已經(jīng)成為了國(guó)際上中、大型運(yùn)載火箭助推器的重要選擇,比如我國(guó)長(zhǎng)征六號(hào)改、美國(guó)航天飛機(jī)及新一代登月火箭SLS、歐洲阿里安5/6等型號(hào)都使用了固體助推器。

國(guó)內(nèi)外固體運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力目前主要集中在300-500公斤、1噸、2噸左右量級(jí),東方空間引力一號(hào)通過(guò)并聯(lián)捆綁技術(shù),創(chuàng)新突破了固體運(yùn)載火箭大運(yùn)力的瓶頸,達(dá)到6.5噸的近地軌道運(yùn)載能力,并為中型運(yùn)載火箭的快速應(yīng)急發(fā)射的實(shí)現(xiàn)提供了解決方案,后續(xù)可以應(yīng)用在應(yīng)急衛(wèi)星組網(wǎng)、空間站應(yīng)急運(yùn)輸方面。

海上發(fā)射,推進(jìn)商業(yè)航天發(fā)展的重要“平臺(tái)”

東方空間引力一號(hào)的另一大特色是在海上發(fā)射首飛,這相比陸上發(fā)射技術(shù)難度更上一個(gè)臺(tái)階。中國(guó)在2008年就開(kāi)始了海上發(fā)射技術(shù)的研究,在2019年使用“長(zhǎng)征11號(hào)”運(yùn)載火箭從黃海海域進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次海上發(fā)射,當(dāng)年的發(fā)射成功將中國(guó)與美國(guó)、俄羅斯、歐洲并列為世界上能夠?qū)崿F(xiàn)海上發(fā)射的四大航天強(qiáng)國(guó)。

海上發(fā)射之所以受重視,是因?yàn)橄啾扔陉懙匕l(fā)射,在商業(yè)航天發(fā)射領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢(shì)。海上發(fā)射可以根據(jù)衛(wèi)星軌道和氣象條件靈活挑選發(fā)射地點(diǎn)和時(shí)間,提高發(fā)射效率;避免陸地發(fā)射場(chǎng)的限制和干擾,減少對(duì)環(huán)境和人口密集區(qū)的影響;增加火箭的有效載荷和軌道傾角范疇,擴(kuò)大衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域;不受內(nèi)陸鐵路等運(yùn)輸條件限制,大尺寸結(jié)構(gòu)件可海運(yùn);此外,國(guó)際化運(yùn)營(yíng)潛力大,使我國(guó)運(yùn)載火箭逐步具備實(shí)施全球海域發(fā)射能力,使國(guó)際發(fā)射服務(wù)不再局限于國(guó)內(nèi)發(fā)射場(chǎng),為開(kāi)展“上門服務(wù)”、“合作發(fā)射”等新合作模式提供技術(shù)基礎(chǔ);同時(shí),運(yùn)載火箭海上發(fā)射采用的發(fā)射平臺(tái)及保障船均可與民用資源有效結(jié)合,打造更具有優(yōu)勢(shì)的全流程使用成本。

突破海上發(fā)射技術(shù),可以說(shuō)為中國(guó)商業(yè)航天實(shí)現(xiàn)“發(fā)射航班化”、“任務(wù)定制化”提供了更多可能。引力一號(hào)了實(shí)現(xiàn)我國(guó)中型捆綁運(yùn)載火箭的機(jī)動(dòng)發(fā)射,進(jìn)一步提升我國(guó)海上發(fā)射技術(shù)水平和能力,擴(kuò)充了我國(guó)中型運(yùn)載火箭海上機(jī)動(dòng)發(fā)射能力。

中國(guó)的商業(yè)航天之路任重道遠(yuǎn),需要更多更實(shí)用的技術(shù)方案,更腳踏實(shí)地的科學(xué)精神、以及未雨綢繆的商業(yè)判斷,才能實(shí)現(xiàn)更為長(zhǎng)效、可持續(xù)的發(fā)展,真正筑就“堅(jiān)如磐石”的航天強(qiáng)國(guó)事業(yè)。