中国可重复使用火箭:从“零的突破”到“多型并举”(上)
作者 林麟
发表于 2025年7月

2025年我国政府工作报告明确提出“开展新技术新产品新场景大规模应用示范行动,推动商业航天、低空经济、深海科技等新兴产业安全健康发展”。这是商业航天继2024 年作为“新增长引擎”被写入政府工作报告之后,第二年被写入政府工作报告,不仅凸显了我国对商业航天的重视,也标志这一新兴产业正加速驶入应用落地“快车道”。

商业航天是指以市场化运作为核心,由企业主导投资、研发、生产和运营的航天活动,旨在通过市场竞争实现盈利。与传统政府主导的航天项目不同,商业航天的主要特点是私营资本参与、需求驱动、成本优先和技术迭代快。当下商业航天的主要应用范围包括卫星服务(通信、遥感等卫星)、火箭发射、亚轨道飞行以及深空探测与资源开发等。其中,可重复使用火箭因能有效降低发射成本、提高发射频率、减少污染并推动技术进步而成为各国商业航天企业研发的重点。

火箭第一级回收常用技术路径

根据回收部分不同,火箭回收可分为第一级回收、整流罩回收、组合体回收等。火箭第一级承担了最大的推力,起到推动火箭高速运转的重要作用,而且第一级发动机制造成本是整个火箭制造成本中最高的部分,所以各国研究的火箭回收方案主要针对第一级回收。

火箭第一级回收的技术路径主要有降落伞回收、带翼回收和垂直起降回收三种。

降落伞回收是最传统的火箭回收技术路径。该技术的优点是系统简单、火箭运力损失较小;缺点是第一级控制能力较差,导致着陆区域的随机性较大,很难用在大中型火箭回收上。

带翼回收不仅综合成本较高, 还要兼顾传统火箭和飞机两种运行状态,因此一直未能实现应用。

常见的垂直起降回收有本场回收和航线下回收两种模式。本场回收是火箭第一级在完成推进任务后重新调整飞行轨迹,然后返回发射场附近的陆地着陆平台。航线下回收是使用海上回收船进行回收,这种模式容易受到海域气象条件的影响而致第一级无法顺利着陆或着陆后倾倒损毁。美国太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰9号第一级回收时就多次出现这一问题。

垂直起降回收技术发展较成熟,SpaceX的猎鹰9号和重型猎鹰火箭均使用该技术进行第一级回收。我国商业航天企业研制的大多数新型可重复使用火箭也多采用这一回收技术。

SpaceX 的“夹筷子”技术也颇引人注目。2024年10月13日,SpaceX星舰大型运载火箭在第五次试飞中,第一级超重助推器成功返回发射台并完美挂在机械臂上,实现了发射台回收火箭。不过,该技术成本高昂,而且对助推器返回位置和返回姿态的控制精度要求极高,存在较大风险。

此外, 我国创新性地提出了网系回收技术:第一级分离后将利用气动舵进行姿态控制与减速;着陆时,地面网系回收装置会通过网系绳索对第一级进行阻尼减速,以实现第一级安全软着陆。

短短几年, 我国可重复使用火箭就经历了从“零的突破”到“多型并举”的跨越式发展,多家商业航天企业不仅成功实现入轨级火箭发射,还进行了多次垂直起降回收试验与复飞试验, 为火箭第一级回收与重复使用提供了技术支撑与保障。

星际荣耀—双曲线三号

星舰大型运载火箭第一级超重助推器成功挂在发射台的机械臂上

作为我国首家实现轨道级火箭发射的商业航天企业, 北京星际荣耀空间科技股份有限公司( 简称星际荣耀) 及其第一型运载火箭双曲线一号的发展并不顺利。从2019年首飞至2025年5月执行的7次发射任务中,双曲线一号仅成功发射3次,发射成功率为42.86%。不过,2023年11月2日,星际荣耀自主研发的液氧甲烷可重复使用验证火箭双曲线二号在酒泉卫星发射中心点火升空。约一分钟后, 火箭在目标着陆点平稳、精确着陆, 飞行试验任务取得圆满成功。

进行试验的双曲线二号配备了星际荣耀自主研发的焦点一号深度变推力液氧甲烷发动机。试验飞行高度178 .42米,飞行时间50.82 秒,着陆位置精度约1.68米, 着陆速度0.025米每秒。这是我国首次开展液体火箭全尺寸第一级垂直起降飞行试验任务,试验的成功为星际荣耀新型中大型可重复使用火箭的研制提供了有力的技术支撑,也标志着我国商业航天在可重复使用火箭技术上取得了重大突破。

首次垂直起降试验完成一个多月后,双曲线二号进行了第二次飞行试验并取得圆满成功,实现了我国首次可重复使用火箭的复用飞行。

两次飞行试验验证了星际荣耀可重复使用液体火箭第一级总体方案的正确性,连续变推力液氧甲烷动力系统方案的正确性,火箭着陆段垂直软着陆导航、制导与控制方案的正确性,液氧甲烷火箭加注、发射、回收及后处理流程的正确性与协调性;验证了火箭各系统及单机重复飞行可靠性与复杂环境适应性,火箭简维护、短周期、高频次重复飞行的可行性;获取了液氧甲烷火箭重复使用关键技术的核心试验数据,为可重复使用火箭更多次、更高效的复用飞行提供了技术积累。

双曲线三号第一级配备了9台焦点二号85吨级液氧甲烷发动机(图源:星际荣耀)

在总结、分析双曲线二号两次飞行试验的宝贵数据及经验的同时,星际荣耀将重心放在了新一代中大型可重复使用液体推进剂运载火箭—双曲线三号的研制上。双曲线三号全长69.6米, 直径4.2米,起飞质量491吨,一次性使用运力为14吨,200千米低地球轨道航迹回收运力为8.5吨。

双曲线三号第一级配备了9台星际荣耀自行研制的焦点二号85吨级液氧甲烷发动机。飞行过程中,焦点二号发动机将全程采用“冗余”模式:当1台发动机出现故障时,剩余8 台发动机的推力将调至110%。

目前,星际荣耀已经投产3 发双曲线三号,计划于2025年年底首飞执行入轨+第一级回收任务,2026年6月完成复用飞行试验,2030年具备一年25发的发射能力,后续将为我国巨型低地球轨道互联网星座提供组网发射服务。

预计2025年12月, 双曲线三号将采用“岸上发射+ 海上回收”模式进行飞行试验

据悉,双曲线三号第一级具备返场回收和航线下回收能力,可重复使用次数不少于20次,将采用与猎鹰9号类似的“岸上发射+海上回收”模式进行飞行试验。星际荣耀的海上回收平台系统项目已于今年6月交付,并在海南开展相关测试工作。

星河动力—谷神星二号与智神星一号

2020年11月,北京星河动力航天科技股份有限公司(简称星河动力)研制的谷神星一号成功完成首次飞行任务。截至2025年5月,谷神星一号已经执行了20次发射任务(其中5次为海上发射),仅1次失败,发射成功率达95%,是我国最成功的商业航天运载火箭之一。

目前,星河动力正在研制和测试两型新型运载火箭—谷神星二号固体运载火箭和智神星一号中大型可重复使用液体运载火箭,这两型火箭均计划于2025年进行首飞。

谷神星二号是一型百吨级四级商业运载火箭,在充分继承谷神星一号技术的基础上,围绕高可靠、低成本、快响应的目标重点打造而成,500千米太阳同步轨道运载能力为1.3吨,能够有效满足低地球轨道商业卫星发射的规模化、周期性、经济性要求,支撑中小型卫星的高效组网和中大型星座的灵活补网等发射需求。

值得一提的是,星河动力计划采用电磁弹射技术发射谷神星二号。当前,国内首个基于超导磁悬浮技术的电磁发射验证平台正在四川资阳市进行调试,目标为2028 年实现电磁弹射火箭首飞。这项技术不仅能够提升火箭的运载能力、大幅降低发射成本,还能实现火箭“航班化发射”。

智神星一号是星河动力自主设计、面向大型星座组网市场的两级液体加先进上面级可重复使用运载火箭,全长52米,直径3.35米,起飞质量290吨,低地球轨道运载能力为8吨。首枚智神星一号火箭已于今年5月总装下线,计划8 月进行首飞。

“苍穹”可重复使用液氧/ 煤油发动机(图源:星河动力)
智神星一号模拟图星河动力—谷神星二号与智神星一号 (图源:星河动力)

智神星一号第一级采用星河动力自主研制的“苍穹”液氧/煤油发动机“七机并联”设计,该型发动机为国内民营商业航天企业研制的首型针栓式变推力发动机,额定海平面推力为50吨,具备多次起动、可重复使用和深度变推能力,未来支持可重复使用50 次左右。而且,“苍穹”发动机的许多零件采用3D打印工艺,能大大降低生产成本、提高生产效率,具备年产200台以上的生产能力,可以满足火箭批量化生产的需求。

力箭二号模拟图(图源:中科宇航)

中科宇航—力箭二号

广州中科宇航探索技术有限公司(简称中科宇航)是国内首家混合所有制商业航天企业,依托中国科学院力学研究所等科研机构的科研力量和资源优势,致力于太空科技探索和空天飞行器研发集成、技术成果转化,以及提供宇航发射服务。

中科宇航研制的力箭一号于2022年7月成功发射,其综合性能达到世界固体运载火箭领先水平,具备发射方式灵活、快速的特点。目前,力箭一号火箭共执行了6次发射任务,前5次均取得成功。2024年12月27日,力箭一号遥六火箭因为三级伺服热电池内部激活回路导线损伤、断裂,致使电池组未能正常输出,进而造成火箭姿态失稳、火箭自毁、任务失败。

力箭二号是中科宇航在研的一款中型液体运载火箭,全长52米,起飞质量625吨,低地球轨道运载能力为12吨,500千米太阳同步轨道运载能力为8吨。力箭二号计划于今年9 月首飞,将搭载中国科学院微小卫星创新研究院研制的轻舟一号低成本货运飞船,执行中国空间站货运任务。未来,力箭二号将成为我国通信星座组网发射、空间站货运的主力商业火箭。

目前,力箭二号第一级配备的是中国航天科技集团有限公司第六研究院研制的YF-10285吨开式循环液氧/ 煤油发动机;后续,中科宇航计划为其配备自主研制的力擎二号110吨燃气发生器循环液氧/ 煤油发动机。力擎二号发动机的燃气发生器和推力室均采用针栓喷注,具有高压氮气起动、泵后双向摇摆、再生冷却加双环带冷却方式等特点,发动机的推力变比为50%~100%,起动次数为3次,地面推力可达110吨。换用力擎二号发动机后,力箭二号将具备第一级回收和重复使用能力。

天兵科技—天龙三号

2023年4月, 北京天兵科技有限公司(简称天兵科技)研发的天龙二号在我国酒泉卫星发射中心成功发射入轨。天龙二号首飞成功开创了多个“第一”: 全球第一次由民营航天企业研发的液体运载火箭首飞即成功, 全球第一款使用煤基煤油作为火箭燃料的运载火箭,我国第一款无工位依托而发射的液体运载火箭, 我国首款采用三机并联发动机技术的运载火箭……

在天龙二号取得成功后,天兵科技将发展重心放在了大型可重复使用液体火箭天龙三号的研制和测试上。天龙三号全长72 米, 起飞质量约600吨, 低地球轨道运载能力为17~22吨,500千米太阳同步轨道运载能力为10~17吨,是我国近期计划首飞的商业火箭中运载能力最大的一型火箭。

天龙三号第一级配备了9台天兵科技自主研制的天火十二燃气发生器循环液氧/煤油火箭发动机

天龙三号采用不锈钢3D打印发动机、液氮汽化增压、注气式蓄压器、三冗余计算机、全碳纤维整流罩、单层共底贮箱、非火工分离等50余项新技术,性价比大幅提升, 第一级具备重复使用、可自主返回的能力。天龙三号第一级以九机并联的形式配备了9台天兵科技自主研制的天火十二燃气发生器循环液氧/ 煤油发动机,海平面推力为93吨,推重比163,对标SpaceX 的猎鹰9号所使用的梅林1D液氧/煤油发动机,是目前我国商业航天企业研制的推力最大的液体火箭发动机,也是国内尺寸最大的3D打印发动机。

天火十二发动机结构简单、推重比高,采用了冷气多次起动技术、自燃点火技术、燃烧不稳定抑制技术、涡轮盘热力组件3D打印技术等10余项关键创新技术,产品性能处于国际领先水平,具备深度变推、全程实时健康监测能力,可实现多模式启动、多次点火、泵后双向摇摆和变推力控制等功能,可重复使用次数大于50次,能满足运载火箭重复使用、低成本发射的市场需求。

除了天龙三号基本型,天兵科技还规划研制天龙三号重型火箭,其低地球轨道运载能力高达68吨,500千米太阳同步轨道运载能力也达到了42吨,芯一级和助推器可自主返回回收。

天龙三号原计划于2024年首飞,但受测试事故影响,首飞计划延迟到2025年6月。首飞成功后,天兵科技计划在2025年内完成天龙三号遥二至遥六火箭的发射任务。

【责任编辑】谌燕

644245518@qq.com

本文刊登于《百科知识》2025年13期
龙源期刊网正版版权
更多文章来自
订阅