為何重復(fù)使用火箭試驗(yàn)，都選擇10公里這個(gè)高度？

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

為啥大家都選10公里，就是因?yàn)檫@個(gè)數(shù)字好聽(tīng)嗎？

近年來(lái)，重復(fù)使用火箭技術(shù)的發(fā)展成為全球航天領(lǐng)域的熱門(mén)話題。尤其是在商業(yè)航天領(lǐng)域，各國(guó)公司都在爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)能夠垂直起降的可重復(fù)使用火箭。而在這一過(guò)程中，10公里高度似乎成為了驗(yàn)證可重復(fù)火箭技術(shù)的重要“門(mén)檻”。無(wú)論是美國(guó)的SpaceX，八院的驗(yàn)證箭，還是朱雀三號(hào)的VTVL-1，10公里這個(gè)高度總是在測(cè)試中反復(fù)出現(xiàn)。那么，為什么選擇這個(gè)高度？它對(duì)于可重復(fù)火箭技術(shù)的驗(yàn)證意味著什么？翻過(guò)這個(gè)坎，前方真的就一片坦途了？今天，我們就花點(diǎn)時(shí)間專(zhuān)門(mén)聊聊它。

第一個(gè)需要回答的就是——10公里的高度，到底意味著什么？其實(shí)，在火箭發(fā)射過(guò)程中，10公里這個(gè)高度并不是特別顯著的一個(gè)“里程碑”，它甚至還未突破大氣層，尚處于地球的對(duì)流層內(nèi)。然而，對(duì)于可重復(fù)使用火箭來(lái)說(shuō)，這卻是一個(gè)至關(guān)重要的高度。首先，10公里以下的大氣密度較大，空氣阻力強(qiáng)烈。在這樣的環(huán)境下，火箭在上升和下降過(guò)程中都將經(jīng)歷巨大的壓力和空氣阻力 。這意味著火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、以及柵格舵等輔助設(shè)備都需要經(jīng)受?chē)?yán)峻考驗(yàn)。此外，火箭在此高度還會(huì)經(jīng)歷“最大動(dòng)壓”，即空氣動(dòng)力對(duì)火箭施加的最大壓力。這是火箭飛行過(guò)程中最為復(fù)雜的階段之一，火箭需要在這個(gè)階段保持平穩(wěn)，以避免結(jié)構(gòu)受損或發(fā)生故障。其次，10公里是火箭在飛行過(guò)程中需要經(jīng)歷超音速和亞音速狀態(tài)變化的高度 。對(duì)于可重復(fù)火箭來(lái)說(shuō)，這也是一次驗(yàn)證“跨音速”控制能力的機(jī)會(huì)?？缫羲偈侵富鸺龔膩喴羲?，即小于音速過(guò)渡到超音速超過(guò)音速的過(guò)程。在這個(gè)階段，氣流的變化會(huì)對(duì)火箭的姿態(tài)和控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)。因此，10公里的飛行高度不僅能夠測(cè)試火箭的耐受性，還可以驗(yàn)證火箭在跨音速下的穩(wěn)定性和精確控制能力。這一高度被選為關(guān)鍵的試驗(yàn)點(diǎn)，正是因?yàn)槠浯砹嘶鸺跇O端條件下的性能測(cè)試。

那么，完成這一10公里級(jí)的飛行，又意味著什么呢？可以說(shuō)，它標(biāo)志著火箭技術(shù)的一個(gè)重大進(jìn)步。首先，火箭在這樣的高度返回并成功著陸，意味著其具備了基本的重復(fù)使用能力。正如中國(guó)朱雀三號(hào)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所強(qiáng)調(diào)的，這一飛行成功表明火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)、柵格舵等核心部件可以在返回過(guò)程中精確配合，并保持穩(wěn)定。但是，成功完成這一高度的試驗(yàn)，并不意味著前方再無(wú)阻礙。10公里的飛行雖然驗(yàn)證了火箭在部分復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和控制能力，但距離真正的軌道級(jí)飛行仍有很大差距。在更高的高度，火箭需要面對(duì)更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是再入大氣層時(shí)的高溫和極高速度。對(duì)于中國(guó)的可重復(fù)火箭技術(shù)而言，10公里的飛行成功，更多的是意味著技術(shù)的驗(yàn)證已進(jìn)入關(guān)鍵階段?；鸺拇怪逼鸾导夹g(shù)已經(jīng)有了初步的成果，但后續(xù)需要解決的，還有如何實(shí)現(xiàn)更高高度的垂直回收，以及應(yīng)對(duì)再入過(guò)程中產(chǎn)生的巨大熱量和動(dòng)能。比如再入大氣層時(shí)產(chǎn)生的高溫如何有效防護(hù)；比如火箭的著陸精度和速度控制如何進(jìn)一步提高；再比如，火箭的結(jié)構(gòu)如何足夠輕盈，但又要足夠堅(jiān)固，以應(yīng)對(duì)多次使用的疲勞損耗等等。我們期待著，隨著技術(shù)的逐步成熟和飛行次數(shù)的增加，這些問(wèn)題將逐步得到解決。

而說(shuō)到我國(guó)可重復(fù)火箭技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，一個(gè)無(wú)法繞過(guò)的點(diǎn)就是SpaceX的成就了。SpaceX自2000年代初開(kāi)始，就致力于研發(fā)能夠重復(fù)使用的火箭，并于2015年首次成功實(shí)現(xiàn)了火箭的垂直回收。此后，SpaceX多次完成軌道級(jí)火箭的回收與重復(fù)使用，徹底改變了航天產(chǎn)業(yè)的成本結(jié)構(gòu)。相比之下，中國(guó)的可重復(fù)火箭技術(shù)起步較晚。雖然近年來(lái)取得了顯著進(jìn)展，但與SpaceX仍存在一定差距。以朱雀三號(hào)VTVL-1為例，目前中國(guó)的測(cè)試還處于10公里高度的垂直起降階段，而SpaceX早已實(shí)現(xiàn)了海上回收與軌道級(jí)火箭的重復(fù)使用。然而，這并不意味著中國(guó)航天沒(méi)有趕超的可能。中國(guó)近年來(lái)在航天技術(shù)的研發(fā)上投入了大量資源，并在多次試驗(yàn)中取得了重大突破。從時(shí)間上看，中國(guó)可重復(fù)使用火箭的實(shí)用化進(jìn)程或許還需5-10年左右才能達(dá)到SpaceX目前的水平。然而，中國(guó)龐大的市場(chǎng)需求，民營(yíng)企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新上的投入，也會(huì)進(jìn)一步縮短這一差距。

總而，10公里的飛行試驗(yàn)不僅是技術(shù)驗(yàn)證的重要一步，更是未來(lái)航天探索的基石。我國(guó)在這一領(lǐng)域雖起步較晚，但憑借持續(xù)的投入和技術(shù)積累，有望在不久的將來(lái)趕上SpaceX步伐，開(kāi)啟屬于我們自己的可回收航天時(shí)代。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：甘戍冬 科普視頻創(chuàng)作者

審核：周炳紅 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司