舊路坎坷，重型火箭新技術路在何方_風聞
钢铁沧澜-2022-07-06 11:39
作者：蘭順正首發自：中國航天報
多發動機並聯技術
前蘇聯N1火箭可謂是多發動機並聯技術的先行者，由於當時的前蘇聯沒有大推力火箭發動機，為了與美國的土星V號競爭，N1火箭採用五級的構型方案，火箭各級均使用液氧煤油推進劑。一子級箭體使用30台 NK-33 發動機捆綁組成，二子級、三子級、四子級和五子級箭體分別使用了8台、4台、1台、1台液氧煤油發動機，按計劃N1起飛質量為3080噸，起飛推力達4620噸，近地軌道運載能力約為100噸。但N1火箭的4次飛行試驗全部都以失敗告終，導致蘇聯終止了該型火箭的研製，並取消了載人登月計劃。在之後很長一段時間，航天界普遍認為發動機數量過多會導致箭體零件數量的飆升，一旦出現單個零件失效很可能會導致一連串連鎖反應和發射任務的失敗，所以運載火箭一級發動機的並聯數量最好不要超過10台，而多發動機並聯技術也被打入了“冷宮”。
但是近年來，隨着主控計算能力和反應速度相比於 N1火箭研發時期提升了至少一個數量級，再加上火箭發動機可靠性也大大增加，多發動機並聯的穩定性有了極大的提升，也開始煥發新的活力。以SpaceX的重型獵鷹為例，該火箭一級採用27台梅林-1D發動機並聯，芯級直徑3.7米，近地軌道運載能力達到63.8 噸，地球同步軌道運載能力為26.7噸，起飛質量1420.8噸，起飛推力2280噸。重型獵鷹在發射之前坊間一度非議頗多，但其首發就完成了火箭全面測試，而第二次發射邁入了商業航天發射領域，第三次發射則拿到了至關重要的軍用載荷發射。重型獵鷹的成功，代表着相關技術已經成熟，多發並聯可靠性差的“帽子”也終於被摘掉了，
子級重複使用技術
高昂的發射成本一直是各國探索太空的“攔路虎”。據統計，小型運載火箭發射一次大約需要2000～3000萬美元；中型運載火箭發射一次大約需要6000～15000萬美元；大型運載火箭發射一次大約需要2億美元以上。航天飛機雖可以部分重複使用但是其運輸費用也頗為不菲，這也是美國將所有的航天飛機退役的重要原因之一。為了降低發射成本，各國設想了很多方法，其中比較有前途的就包括可重複使用子級。在這一方面，SpaceX的“獵鷹”9號火箭早已實現將有效載荷送入軌道以後第一級垂直降落到地面和海上平台的常態化運營。
其具體過程為：在一級火箭分離之後，地面會通過冷氣體推進器對火箭的姿態進行調整，使火箭的底部能朝向地面；接下來部分主發動機重新點火工作，實施所謂的“回推”機動，推動火箭飛向預定降落點；之後部分主發動機要再次點火工作，實施“再入”機動，進一步降低速度；在最終的下降飛行過程中，在展開4條着陸支腿的同時，火箭最中央的一台發動機會點火工作，實施“降落”機動，引導火箭落在着陸平台上，一級頂部安裝的可活動格柵翼則用於幫助保證氣動安定性。
海基發射技術
顧名思義，海基發射就是從各種海洋平台進行航天發射活動。海基發射的方式主要有水下發射、水上艦船發射和海上移動式平台發射，目前比較成熟的是海上移動式平台發射。相比於陸基發射，海基發射具有以下優點：
1 可有效降低發射成本。海射平台一般具有機動能力，所以能夠在最為合適的地點進行發射，地球自轉在赤道上達到最大的旋轉速度（465.1米/秒），在此發射能得到額外的發射速度增量。由於消除了地球靜止軌道零度傾角需要的軌道平面變化，運載能力得到了顯著的提升。同樣的火箭從北緯28.5度的卡納維拉爾角發射，能達到地球靜止軌道的載荷將減少15%-20%。而中國即使是最南端的文昌航天發射場也在北緯19度。所以海射尤其適合那些5度甚至更小傾角的發射任務。
2 可以減小風險。海射可以避開人口稠密區，減少航天發射可能帶來的風險，同時與民航航線產生的衝突較少，往往無需提前“淨空”。
3 發射角度全面。海射的火箭殘骸可以全部落於海上，不必為了躲避地面居民區而限制火箭發射方位角，可以實現任意軌道傾角發射。
之前世界上唯一提供海基發射服務的公司是由美國、俄羅斯、挪威、烏克蘭4國1995年聯合成立的“海射”公司，1998年7月其海上移動式發射設施建成下水，並在1999年3月發射了首枚火箭。該公司主要由波音公司管理，其它股東共同運營。而中國近年來在該領域已經迎頭趕上，2022年4月30日長征十一號運載火箭在中國海域完成“一箭五星”海上發射任務，而作為中國唯一的海上發射技術服務港，山東海陽東方航天港至此已完成3次海上火箭發射保障任務。據報道，目前東方航天港已具備年產20發固體運載火箭總裝測試能力和海上發射支持保障能力，為中國進入高頻次、常態化的海上發射時代提供了堅實的基礎。