中国发力火箭回收 卫星发射价将低至每公斤5000美元
中国发力火箭回收(“瞄准世界科技前沿”之航天科技①)
开栏的话：中共十九大报告提出“加快建设创新型国家”这一重大历史任务，指出要“瞄准世界科技前沿”，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。本版特推出《“瞄准世界科技前沿”》系列报道，展现中国科技工作者勇于创新、勇攀高峰的拼搏进取精神。敬请期待。
每公斤约5000美元。这不是某种稀有金属的价格，而是低轨卫星发射将来可能的预期报价。中国航天科技集团公司副总经理杨保华在近日举行的中国航天高峰论坛上给出上述预期报价可谓诱人。要知道，中国目前在国际上最具商业优势的快舟一号甲火箭，其发射成本约为每公斤1万美元。
从“成本约1万美元”到“报价约5000美元”，如此大胆的预期的根据是什么呢？“可重复使用火箭。”杨保华透露的这个关键词在人们意料之中。的确，只有实现可重复运载火箭的技术大跨越，才有可能这样大幅降低发射成本，为从根本上提高中国商业航天的国际竞争力奠定雄厚基础。
大幅降低成本和时间
可重复使用火箭是相对于“一次性运载火箭”而言的概念，指运载器从地面起飞完成预定发射任务后， 全部或部分返回并安全着陆，经过检修维护与燃料加注，可再次执行发射任务。
上海宇航系统工程研究所高工徐大富博士表示，可重复使用火箭的优点是减少运载器一次性使用后抛弃昂贵的箭体、发动机及电气设备造成的浪费，通过多次使用分摊费用来降低运载器的生产与发射成本。关于可重复使用火箭的类别，他介绍说，根据不同的分类方法可以划分出很多类型，按重复使用程度可分为部分重复使用和完全重复使用，按入轨级数可以分为单级入轨和两级入轨，按动力类型可分为火箭动力和吸气式组合动力。
可以反复多次使用，费用每次分摊当然就可以把成本降下来，可重复使用火箭降低成本的道理不难理解。对于降低成本的幅度，世界上掌握可重复火箭技术的公司之一美国太空探索技术公司曾给出官方预期数据。该公司副总裁肖特韦尔曾称，一级火箭回收复用的初期目标是降低30%发射费用，多次复用后将降低60%以上。太空探索技术公司重复利用的“猎鹰9”火箭总造价据测算约为5000万美元，而推进剂的成本只有20万美元，如果重复使用技术将来进一步走向成熟和完善，其降低成本的空间无疑巨大。中国运载火箭技术研究院研发中心总体室主任陈洪波近日接受采访时透露，中国可重复使用火箭研制正处于攻关阶段，其最终目标是单位有效载荷发射成本降低至现有一次性运载火箭的十分之一。与有望大幅降低成本相应的是发射准备时间也可以大幅压缩。传统火箭发射准备动辄数月，而可重复火箭则有望做到大幅提升空间快速响应能力，做到快速检测，快速发射，未来可以像飞机一样实现航班化的天地往返运输。
三种方式实现可回收
可回收火箭技术是世界航天领域一颗最璀璨的“明珠”，是航天大国激烈角逐的最前沿领域之一。关于火箭子级回收的具体技术，中国空间技术研究院研究员庞之浩介绍说有三种。
第一种是降落伞垂直下降方案，即在火箭分离后先进行空中制动变轨进入返回地球大气层的返回轨道，接着在低空采用降落伞减速，最后打开气囊或用缓冲发动机着陆。这种方案与回收飞船返回舱和返回式卫星类似。
第二种是动力反推垂直下降方案，其空中变轨制动同第一种，但在低空采用发动机反推减速，以垂直下降方式降落地面，美国“猎鹰9”火箭采用的就是这种方案。
第三种是滑翔飞行水平降落方案，即箭体采用翼式飞行体，在变轨制动后，火箭像飞机一样水平降落返回地面。这种方案又分为有动力和无动力两种，后者完全依靠翼身的气动力滑翔飞行(与美国航天飞机着陆类似)，而前者是采用装有涡喷发动机的翼式飞行体，在返回地面过程中启动涡喷发动机进行巡航机动飞行，可实现更大范围的回收区选择(与苏联暴风雪号航天飞机着陆类似)。
坚持沿着两条路径发展
中国对可回收火箭的研究早就开始了。2011年，中国运载火箭技术研究院研发中心开始设立可回收火箭项目，成立了由研究发展中心副总研究师申麟领衔的项目团队，并对致力于可回收火箭研发的机构进行了调研分析，对上述三种回收方式进行了深入论证。
《2016中国的航天》白皮书虽然没有使用“可回收火箭”这一词汇，但在“未来五年的主要任务”第一部分“航天运输系统”中提出，“开展低成本运载火箭、新型上面级、天地往返可重复使用运输系统等技术研究”。其中“低成本运载火箭”在很大程度上就是指“可回收火箭”。
对中国可回收火箭目前的研发状况，申麟近日接受记者采访表示，从总体上来讲，正处于关键技术攻关阶段。具体来说，在技术路径方面，中国没有选择单一方式，而是坚持“两条腿走路”，即沿着“降落伞+气囊”和“垂直降落”两种方式进行研发。在研究进展方面，前一种回收方式走得更快一些。2015年11月，项目团队成功进行了运载火箭子级回收群伞空投试验。对试验结果，申麟认为，虽然只是一个缩比试验，但是验证了使用大型群伞的技术能力，获得的数据也很好地支撑了相应的设计和论证工作。
“降落伞+气囊”回收方式试验的成功在很大程度上得益于中国在此方面的技术积累，实际上，经过数次实战考验的神舟飞船返回舱就是采用这种方式成功地在目标区域回收。对于“垂直降落”回收方式的研究也在紧锣密鼓进行中，申麟透露说，中国运载火箭技术研究院研发中心已完成了系统的方案论证和相应的仿真研究。
运载火箭技术正处在发展进步之中，特别是新型燃料的采用，将可能为回收技术的演进开辟新的路径。或许正是从这个角度上，申麟在展望中国火箭回收技术在“十三五”期间的发展时，把目光投向以液氧甲烷为推进剂的运载火箭，他希望与团队一起努力，在火箭回收技术上取得新的重大突破，早日打造出属于中国的能大幅降低成本的可回收火箭。