近日,美國火箭實驗室公司透露,由于直升機(jī)空中抓取回收火箭屢次失敗,正考慮更換方案,從海上回收濺落的火箭子級,以便翻新復(fù)用。這意味著,越來越熱門的火箭回收業(yè)務(wù)又迎來了“換賽道”。那么,航天界現(xiàn)有的幾種火箭回收方式各自有何優(yōu)劣?未來人們有望看到哪些腦洞大開的火箭回收招數(shù)呢?
直升機(jī)空中抓取回收火箭屢次失?。▉碓矗夯鸺龑嶒炇夜荆?/p>
傳統(tǒng)回收模式有挑戰(zhàn)
盡管越來越多的航天器頻繁飛入太空,科研人員卻在一個方面永不滿足:如何更安全、更經(jīng)濟(jì)地幫助航天器“掙脫地球母親的懷抱”?換成專業(yè)說法,就是如何降低航天發(fā)射任務(wù)的綜合成本?火箭回收無疑是最直接的手段之一。
從火箭回收運作的現(xiàn)狀來看,美國SpaceX公司的獵鷹系列火箭擁有最成熟的技術(shù)模式,采用垂直自行返回方案,累計成功回收了100多次,多枚獵鷹9火箭第一級已重復(fù)完成了15次發(fā)射任務(wù)。
不過,這種火箭回收方法也免不了付出代價,那就是火箭第一級有必要預(yù)留至少1/3的燃料儲備,以便及時進(jìn)行二次點火減速。也就是說,火箭為了實現(xiàn)重復(fù)使用,不得不損失運載能力。此外,為確?;鸺谝患壱源怪必Q立姿勢平穩(wěn)降落,緩沖腿是必不可少的,只有中大型火箭能夠“容忍”這種重量、空間代價,無形中限制了適用范圍。
于是,美國火箭實驗室公司2021年提出了直升機(jī)空中抓取回收火箭方案。簡單地說,就是讓輕巧的電子號火箭子級在降落傘下安穩(wěn)下降,直升機(jī)及時靠近,伸出探鉤,吊掛回收。雖然外人感覺這種回收方式既精彩刺激又高效快捷,但“接駕”直升機(jī)的反應(yīng)能力、吊運能力、可靠性都面臨著苛刻要求,為保障“約會時機(jī)”,實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸控制也有不小的難度。
在某次電子號火箭回收任務(wù)中,直升機(jī)的纜索裝置本已吊掛成功,但空中突如其來的巨大負(fù)載險些令直升機(jī)失控,迫使直升機(jī)遺憾地“放手”。而在另一次回收任務(wù)中,由于火箭子級返回大氣層時遙測數(shù)據(jù)丟失,一直待命的直升機(jī)無法及時定位,遺憾地錯過了“約會”。
此外,各國還測試了多重傘降、反推火箭等回收模式,但都不太適合回收火箭艙段,仍需更多技術(shù)探索。至于回收海上濺落的火箭子級,對于材料、時機(jī)等要求無疑更加苛刻。
路線五花八門求“通關(guān)”
正因為火箭回收成功不易,一旦航天人掌握某種成熟方案,就有望獲得豐厚的回報。于是,從航天愛好者到資深科學(xué)家,不斷提出一系列令人眼花繚亂的火箭回收新方案,多條路線齊頭并進(jìn),努力找到水平更高、效益更大的“通關(guān)秘籍”。
近年來,多國航天人提出了繩網(wǎng)吊掛回收火箭的設(shè)想,引發(fā)了不小的關(guān)注。各國方案的共同點是搭建矩形回收平臺,四角由高聳的塔柱穩(wěn)定,連接起眾多纜索,多層布置,每層呈現(xiàn)“井”字形,構(gòu)成受力復(fù)雜的強(qiáng)韌大網(wǎng)。預(yù)計火箭子級以近似垂直姿態(tài)落入感應(yīng)區(qū)域時,第一層纜索中的多組平行的纜索在感應(yīng)器幫助下快速移動,精確地對準(zhǔn)火箭子級下墜方向,并掛住尾鉤之類的部件,進(jìn)而觸發(fā)第一層全部纜索受力。隨著火箭子級繼續(xù)減速下落,各層纜索以同樣的方式進(jìn)行吊掛作業(yè),直至火箭子級停止下墜,安全回收。
為確保纜索鉤掛火箭子級的可靠性,一些方案增添了特殊材料制成的夾具,可以使火箭相對輕微地側(cè)向受力,減速效果有可能更顯著。
顯然,這種新穎的回收方式使火箭不必預(yù)留大量燃料,還能省掉緩沖腿等部件,有望顯著提升運載能力,又能大幅降低火箭保持姿態(tài)的控制難度。但是,為了及時“截停”火箭子級,纜索材料與全系統(tǒng)機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度和精度上都會面臨毫不輕松的考驗。另外,火箭子級拋離的精確控制、天氣條件等恐怕都會影響其“自投羅網(wǎng)”的成敗。
或許是感覺火箭子級下墜中找準(zhǔn)落點太難也太麻煩,近年來航天愛好者們提出了一種更加簡單粗暴的方案——天坑回收。簡單地說,就是利用天然地質(zhì)構(gòu)造,或者挖掘出深度數(shù)十米、直徑超過10公里的大坑,在里面大量填充緩沖材料,可以是生活廢棄塑料再加工,或者是各類植物纖維加以改造。
而火箭回收過程也很簡單,只要墜落點在天坑的范圍內(nèi),數(shù)十米厚的緩沖材料能夠在很大程度上保障任務(wù)的安全性。接下來,在附近待命的直升機(jī)迅速飛到天坑上方,放下索鉤,吊運火箭子級,將其運回車間,投入下一次發(fā)射任務(wù)的準(zhǔn)備工作中。
天坑回收模式聽起來有點兒戲,但可以降低火箭子級返回途中付出的物質(zhì)代價和技術(shù)難度,建立另類回收場也沒有多少技術(shù)上的障礙。問題是,巨大天坑的建造投入必然很大,而露天回收場任憑風(fēng)吹雨打、烈日暴曬,緩沖材料的狀態(tài)如何?怎樣及時維護(hù)保障?恐怕提議者心里也沒底。
其實,在眾多的火箭回收奇思妙想中,有一個方案雖然僅停留在概念階段,但在理論上相當(dāng)完美,那就是自滑翔返回。簡單地說,就是給火箭子級裝上可折疊的機(jī)翼和舵機(jī),及時“變身”保安全。
眾所周知,火箭子級的拋離點往往是在數(shù)萬米的高空,具備巨大的勢能。隨著火箭子級進(jìn)行自由落體運動,勢能又轉(zhuǎn)化為巨大的動能,促使它不斷加速下墜。常規(guī)的保護(hù)火箭子級的方法是盡量從垂直方向上抵消這種極具破壞力的動能,通過“軟硬兼施”的手段減速。而自滑翔返回方案則是“化危為機(jī)”,使火箭子級利用動能飛行。
在火箭子級加速墜落的過程中,如果機(jī)翼與舵機(jī)及時展開運作,在無人駕駛技術(shù)加持下,有望使火箭子級從自由落體狀態(tài)很快改為水平飛行狀態(tài),好像從高空俯沖的滑翔機(jī),只不過更追求平穩(wěn)飛行,不斷消耗可怕的動能,最終安全落地。
暢想未來,火箭的外形設(shè)計更加優(yōu)化,材料、工藝和無人智能駕駛技術(shù)達(dá)到更高的水平,那么火箭子級自主搜尋、定位并飛回發(fā)射基地,平穩(wěn)地降落到跑道上,完成從航天器到航空器的“華麗變身”,絕非癡人說夢。 (作者:孫飛)