近日，中國自主研發的朱雀三號可重復使用垂直回收試驗箭，在酒泉衛星發射中心完成10公裏級垂直起降返回飛行試驗，這是自2024年1月，朱雀三號VTVL-1驗證火箭成功完成測試後又一個裏程碑。
朱雀三號是中國民營運載火箭企業藍箭航天的產品，是朱雀系列火箭的最新型號。藍箭航天在2018年開始測試朱雀一號，發展到如今的朱雀三號VTVL-1驗證火箭，這標誌著中國商業航天在可重復使用運載火箭技術上取得重大突破，將來的發展方向是研發出可重復使用的高運力低成本運載火箭。
藍箭航天朱雀三號大型可重復使用火箭垂直返回技術的VTVL-1試驗箭
（圖片來源：藍箭航天）
為什麽要研發可重復使用火箭
可重復使用火箭是指能夠部份或者全部回收火箭部件，並重復使用的發射系統。太空梭其實就是一種可重復使用的發射系統，但它的問題在於無法低成本使用。
參照美國國家航空暨太空總署艾姆斯研究中心在2018年的會議數據，太空梭將27.5噸的載荷送入近地軌域，成本約15億美元，每公斤約5.45萬美元，而商業發射所使用的獵鷹9號運載火箭，將22.8噸載荷送入近地軌域，成本為6200萬美元，每公斤約2720美元。顯然太空梭雖然也是可重復使用的發射系統，但是發射成本太高，最終也要被淘汰。
太空梭計劃還涉及隔熱裝置安全性的問題，導致美國國家航空暨太空總署不得不在發射一架太空梭的時候，再準備另一架太空梭也矗立在另一個發射工位上，隨時準備救援，進一步導致發射成本增加。
兩架太空梭同時矗立發射工位，一架處於待命救援狀態，導致太空梭雖然是可重復使用發射系統，但發射成本極高
（圖片來源：NASA）
當下對可重復使用火箭的定義更加註重其低成本性，換而言之，如果無法實作低成本營運，那麽可重復使用的意義就蕩然無存。從運載火箭的角度看，目前阻礙近地軌域大規模開發的瓶頸就是成本問題，這裏的成本並不是火箭發射的總費用，而是根據發射報價和載荷品質折算出的每公斤載荷進入軌域的成本。
美戰略與國際研究中心（CSIS）的數據顯示，目前獵鷹重型火箭進入近地軌域的每公斤載荷成本是1500美元，低於歐洲阿麗亞娜5G運載火箭的9167美元和質子火箭的4320美元。
送入軌域的費用降低了，那麽大規模開發近地軌域或者近地軌域商業化的才有可能實作，這就是發展目前我們作為航天強國要發展可重復使用火箭的目標。比如目前正在實施的千帆星座計劃、鴻鵠星座計劃、中國星網的GW星座計劃，都需要將上萬顆衛星送入近地軌域，中國已經在2020年4月，首次將衛星互聯網納入新基建的範疇。
發射成本的降低，也意味著我們可以將更多的衛星送入軌域，如果是大推力可重復運載火箭，那麽我們打造空間站的成本也會更低，空間站的規模自然也會增加，功能也會得到進一步延伸。
可重復使用火箭的原理是什麽？
目前中國研發的可重復使用火箭側重於對第一級助推器的回收，從而實作可重復使用，回收的方式就是讓助推器完成使命後再垂直降落。要讓火箭第一級垂直降落，就需要控制發動機噴射方向，並控制火箭的姿態，在降落過程中，發動機透過向下噴射氣流，產生向上的反作用力，逐步控制第一級的下落速度，在距離地面一定高度時，展開著陸腿，最終實作定點垂直軟著陸。
技術方面涉及發動機調節推力，第一級返回時姿態控制的相關技術等，同時還需要研發出能夠重復使用的火箭發動機。目前可重復使用發動機比較理想的動力就是液氧甲烷發動機，中國朱雀二號使用的天鵲系列就是全球首枚成功入軌的液氧甲烷發動機，200噸級YF215液氧甲烷發動機也在研發中，這是中國第一款采用全流量分級燃燒迴圈技術的火箭發動機，有利於中國擴充套件空間探索。
朱雀二號遙二運載火箭在中國酒泉衛星發射中心發射升空
（圖片來源：新華社）
回收第一級助推器對火箭的可重復使用意義重大。可重復使用發動機的成本較高，大約可占整個火箭發射成本的六至七成，主要是因為發動機比較昂貴，獵鷹9號使用9台發動機，每台發動機按約200萬美元算，第一級助推器的成本僅發動機一項就要花費約1800萬美元，占一次發射6200萬美元報價的比重較大。
如果助推器數量較多，比如達到三個，那麽這些助推器對發射成本的影響就更大了。同時，第一級助推器分離高度還沒有出大氣層，也適合回收，所涉及技術難度要遠低於第二級發動機的回收。
朱雀三號VTVL-1驗證火箭這次試飛，驗證的就是垂直返回技術，一子級點火升空後到達了10公裏的高度，之所以選擇這個高度，是因為10公裏有足夠的高度可以驗證各種各樣的擾動，一子級在下降過程中可透過格柵舵、火箭發動機垂直反推和重新開機，對姿態進行聯合控制，這些都是朱雀三號VTVL-1驗證火箭要測試的內容。
隨著火箭品質的增加，著陸緩沖系統則是火箭軟著陸的關鍵，緩沖裝置將吸收箭體的動能和勢能，確保火箭在復雜條件下安全著陸。
朱雀三號VTVL-1火箭有何特點？
朱雀三號VTVL-1的定位是驗證火箭，是以全尺寸發動機構建的工程樣機，藍箭航天計劃透過垂直起降回收試驗，驗證多項重復使用火箭的關鍵技術。
該試驗箭為單級液氧甲烷火箭，箭體直徑3.35公尺，長度18.3公尺，起飛品質約68噸，搭載80噸級天鵲-12改進型液氧甲烷發動機，具有變推力調節和多次點火能力。箭體使用高強度不銹鋼箭體結構，有4片柵格舵系統，軟著陸時，有3組著陸緩沖機構。從外觀上可以確定，朱雀三號VTVL-1並非最終定型的型號，仍然以試驗為主，全狀態的朱雀三號將在2025年首飛。
驗證火箭與可執行發射任務的火箭相比，外觀上可直觀分辨出。驗證火箭並沒有整流罩，結構簡單，只需滿足測試所需的硬體條件即可。
全狀態的朱雀三號將搭載9台天鵲-12改進型發動機，可將12至21噸的載荷送入近地軌域，在國際上處於領先地位，畢竟目前能夠研發可重復使用火箭的國家也只有中美，但是中國民營航天企業正在研發的可重復使用火箭種類多，除了朱雀三號外，還有雙曲線三號運載火箭、天龍三號運載火箭等等，形成一種百花齊放的競爭局面，對中國大規模開發近地軌域空間奠定了堅實的基礎。
由於可重復使用火箭對比的並非是運載能力，所以評價一款可重復使用火箭的能力，並不是運載能力越大越好，而是在一定條件下每公斤載荷進入軌域的成本，顯然這個成本在不影響運力的情況下越低，則代表這款火箭更加優秀。從這個角度看，朱雀三號，還有天龍三號都有極強的低成本潛力。
參考文獻：
1.近期航天發射成本大幅降低
2.太空發射至低地球軌域：成本是多少？
3.星際穿梭：可回收火箭奇幻之旅
4.外媒關註：中國打造「千帆星座」邁出重要一步
出品：科普中國
制作：川陀太空（科普創作者）
監制：中國科普博覽
