2025年6月20日中午,蓝箭航天在东风商业航天创新试验区液氧甲烷发射工位,成功实施了朱雀三号运载火箭一子级动力系统试车。试验中,火箭一子级被固定在试车台,参考真实飞行任务准备流程,点燃全部9台发动机进行了持续40余秒的测试,最大推力接近800吨。这是我国:
•截至目前推力最大的液体火箭试车;
•首次成功进行多台(7台以上)发动机并联试车;
•首次完成新一代可复用火箭完整一子级点火试验;
•首次在发射工位进行商业火箭试车。
这次试验,堪称我国可复用火箭首飞前的“终极大考”,是可重复使用火箭从概念到实现,从“能不能想”到“能不能飞”乃至后续“能不能用”过程中的关键节点。它检验了火箭、发射工位以及相关配套设施的技术状态,考察了相关监督、管理和执行机制的有效性,是我国新一代可重复使用火箭迄今最接近真实飞行的综合测试,为商业航天安全健康发展验证了一系列经济高效的新举措。
掰开看,这次试验还有两大看点:一是9机并联、二是发射工位试车,今天我们简单探讨。
多台发动机并联:火箭回收不可或缺的技术
早在人类航天萌芽的上世纪5、60年代,科学家就已经发现,液体燃料运载火箭的发动机和箭体构成了任务的绝大多数成本,因此火箭复用(哪怕部分复用)可以显著节省开支。
自那时起,各国陆续开展相关探索,并产出了包括航天飞机在内的成果,但一直没有达到理想状态。直到2015年,美国SpaceX终于在猎鹰9号火箭上完成火箭一子级复用的工程实践。猎鹰9号一子级外观上的最大特点,除了配备可收放着陆支腿以外,便是采用了9台发动机并联的设计。这是火箭精准着陆的要求。
图:返回着陆的猎鹰9号火箭一子级。
图:3个并排放置的猎鹰9号一子级,可以看出多机并联的经典结构。
一枚可复用火箭,起飞时装满燃料和载荷,需要巨大推力方能离开地面;而当一子级返回大地、即将轻柔着陆时,二级和载荷早已分离,内部燃料也所剩无几,全箭重量甚至不及出发时的10%。显然,火箭需要大范围调节推力才能满足两种截然不同的需求,但单台火箭发动机推力一般只能降低不到50%,远不能满足要求,这就需要多台发动机(7台以上)并联安装在一子级当中的设计 - 起飞时,所有发动机一同工作,帮助火箭升空;着陆时,只启动少数甚至单台发动机,从而尽可能减小推力,实现精准控制。
全世界现役和在研可重复使用火箭,无论采用哪种着陆方式- 支腿、“筷子夹”、绳网捕捉、海上溅落,基本都采用了多机并联设计。我国的长征10号、长征12号A/B、朱雀三号、天龙三号等型号也包括在内。
动力系统试车:火箭首飞前的“终极大考”
多机并联虽然有利于火箭复用,但其发动机密集的设计,也给研发带来了巨大挑战,力学、热学、电磁学等诸多学科互相影响、牵一发而动全身。设计不当,轻则影响火箭性能,重则任务失败。截至目前,只有美国完成过多机并联的飞行验证。其它国家当中,我国研发进度处于前列。
多机并联设计是否成功,需要通过实际检验。为了控制风险与成本,国际通行做法是在真实飞行之前,进行火箭动力系统地面试车- 将火箭整个子级固定在试车台上,模拟真实飞行任务,加注燃料,点燃发动机并进行喷管摆动、推力调节等测试,以获取验证数据。
图:进行动力系统试车的美国星舰火箭
试验中,发动机、增压输送、伺服、结构、电气、控制、遥测等火箭主要系统全部工作或接受考察;火箭经受力传递、震动、高温、低温、高压、电磁等环境考验。动力系统试车是最接近真实飞行的检验,是火箭首飞前最关键、最全面、最具挑战性的考核。
那么,动力系统试车怎样实施?
从试车台试验到发射台试验,我国跑通了安全、高效、经济的动力系统试车新路径
我国航天发展早期,曾经在发射工位进行过火箭动力系统试车,但此后绝大多数情况下相关试验都在专门的试车台进行。近年来随着商业航天发展,这种做法出现了一些不便。
一是我国现有试车台特别是成熟完善的试车台多属国有,优先保障国家重大航天任务,对商业航天试验排期限制较多;
二是安全隐患。我国航天产业发达的中东部地区,已经很难寻找远离人烟的场址。在人口密集区域开展规模宏大的动力系统试车,存在爆炸破坏和噪音干扰等风险。事实上,我国确实发生过动力系统试车箭意外飞离试车台的事件,严重威胁到了周边人民生命和财产安全。
三是成本较高。能够开展动力系统试验的大型试车台,建设费用动辄高达亿元,且功能比较单一,项目性价比往往不够理想。
图:我国一处专用试车台。
在航天发射场的发射工位进行动力系统试车,可以很好解决以上问题,这也是SpaceX、蓝色起源等国外头部企业的做法。
一、我国新兴商业航天企业基本都计划或已经建成自有发射工位,试验排期灵活,甚至火箭试车后可以就地转入飞行准备,节约大量时间和成本;
二、航天发射场在选址时已经考虑安全问题,并且建立有严格的任务审核机制。试车即便出现极端情况,也不会波及无关;
三、发射工位和试车台的配套设备高度通用,少量适配改造即满足试车要求,无需重复建设,成本远低于新建试车台,而试车反过来也可以检验发射场对飞行任务的准备情况,一举两得。
蓝箭航天这次任务,不只是检验了火箭首飞准备情况,还从技术上证明了发射工位试车的可行性,同时跑通了相关监管和实施流程,进一步增强了国家安全健康发展商业航天的信心;其成果能够被全行业所借鉴,有力促进我国商业航天高效迭代演进。
图:在发射台兼试车台上的朱雀三号火箭。
以密集动力系统试车为标志,我国即将开启火箭复用新纪元
本次试验成功后,蓝箭航天计划今年内实施朱雀三号首飞,且首飞即尝试回收一子级。朱雀三号全长76米,直径4.5米,最大载荷超过20吨,是我国目前运力最大的商业火箭之一。
除了朱雀三号以外,今年我国还有多款中大型火箭已经或计划开展动力试车,乃至首飞。
中科宇航的力箭二号火箭,6月11日在广东从化成功实施了单个一子级的系统试车。与经典多机并联设计不同,力箭二号采用了每个一子级包络3台发动机、将3个一子级捆绑使用的方案,其设计相对简单,有利于较快形成运力,争取市场先机,但其构型回收的挑战较多,可能短期内不会尝试复用。后续,力箭二号或也将前往发射场开展试验。项目瞄准今年秋天首飞,首飞即搭载配套中国空间站的轻舟低成本货运飞船开展验证飞行。力箭二号全长52米,芯级直径3.35米,设计最大载荷12吨。
图:力箭二号单个一子级试车和全箭模拟图
天兵科技的天龙三号火箭也已经抵达山东海阳东方航天港,即将在HOS-1号海上试验平台开展动力系统试车。天龙三号全长72米,直径3.8米,一子级9台发动机并联,运力与朱雀三号相当。天龙三号其实是我国最早开展一子级动力系统试车的可回收火箭,2024年6月30日即在河南巩义天兵科技自建试车台进行了首次尝试,但以点火后意外飞离试车台坠毁而告终。这次事件也给全行业敲响了安全生产警钟。经过一年整改准备,天兵科技将再次向梦想发起冲击。如果一切顺利,天龙三号仍有可能成为我国首款开展飞行试验的可回收火箭。
图:天龙三号
特别值得一提的是,我国用于载人登月的长征十号火箭,也计划于近期在发射场实施一子级动力系统试车。长征十号采用了一子级并联7台发动机、3个一子级捆绑使用的设计方案,全长92.5米,芯级直径5米,最大载荷高达70吨,将一举把我国单枚火箭运力提高近200%!
除了上述型号以外,长征十二号A/B、星河动力智神星一号等中大型火箭,也瞄准年内开展动力系统试车和首飞。
密集试车,标志着我国新型火箭特别是新一代可回收火箭进入了首飞前的冲刺。如果一切顺利,未来一年内,我国将出现数款性能有望比肩美国猎鹰9号的大运力可复用火箭,将有力支撑大型互联网星座等空间基础设施建设,乃至载人登月等国家重大项目。
我国可复用火箭不再是远方愿景,而是我们即将触摸的时代。