火箭也可以回收?來看看這些腦洞大開的招數(shù)!
發(fā)布時(shí)間:2023-05-06
瀏覽次數(shù):5951

版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系我們

近日,美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司透露,由于直升機(jī)空中抓取回收火箭屢次失敗,正考慮更換方案,從海上回收濺落的火箭子級(jí),以便翻新復(fù)用。這意味著,越來越熱門的火箭回收業(yè)務(wù)又迎來了“換賽道”。那么,航天界現(xiàn)有的幾種火箭回收方式各自有何優(yōu)劣?未來人們有望看到哪些腦洞大開的火箭回收招數(shù)呢?

直升機(jī)空中抓取回收火箭屢次失?。▉碓矗夯鸺龑?shí)驗(yàn)室公司)

傳統(tǒng)回收模式有挑戰(zhàn)

盡管越來越多的航天器頻繁飛入太空,科研人員卻在一個(gè)方面永不滿足:如何更安全、更經(jīng)濟(jì)地幫助航天器“掙脫地球母親的懷抱”?換成專業(yè)說法,就是如何降低航天發(fā)射任務(wù)的綜合成本?火箭回收無疑是最直接的手段之一。

從火箭回收運(yùn)作的現(xiàn)狀來看,美國SpaceX公司的獵鷹系列火箭擁有最成熟的技術(shù)模式,采用垂直自行返回方案,累計(jì)成功回收了100多次,多枚獵鷹9火箭第一級(jí)已重復(fù)完成了15次發(fā)射任務(wù)。

不過,這種火箭回收方法也免不了付出代價(jià),那就是火箭第一級(jí)有必要預(yù)留至少1/3的燃料儲(chǔ)備,以便及時(shí)進(jìn)行二次點(diǎn)火減速。也就是說,火箭為了實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用,不得不損失運(yùn)載能力。此外,為確?;鸺谝患?jí)以垂直豎立姿勢(shì)平穩(wěn)降落,緩沖腿是必不可少的,只有中大型火箭能夠“容忍”這種重量、空間代價(jià),無形中限制了適用范圍。

于是,美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司2021年提出了直升機(jī)空中抓取回收火箭方案。簡單地說,就是讓輕巧的電子號(hào)火箭子級(jí)在降落傘下安穩(wěn)下降,直升機(jī)及時(shí)靠近,伸出探鉤,吊掛回收。雖然外人感覺這種回收方式既精彩刺激又高效快捷,但“接駕”直升機(jī)的反應(yīng)能力、吊運(yùn)能力、可靠性都面臨著苛刻要求,為保障“約會(huì)時(shí)機(jī)”,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸控制也有不小的難度。

在某次電子號(hào)火箭回收任務(wù)中,直升機(jī)的纜索裝置本已吊掛成功,但空中突如其來的巨大負(fù)載險(xiǎn)些令直升機(jī)失控,迫使直升機(jī)遺憾地“放手”。而在另一次回收任務(wù)中,由于火箭子級(jí)返回大氣層時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)丟失,一直待命的直升機(jī)無法及時(shí)定位,遺憾地錯(cuò)過了“約會(huì)”。

此外,各國還測(cè)試了多重傘降、反推火箭等回收模式,但都不太適合回收火箭艙段,仍需更多技術(shù)探索。至于回收海上濺落的火箭子級(jí),對(duì)于材料、時(shí)機(jī)等要求無疑更加苛刻。

路線五花八門求“通關(guān)”

正因?yàn)榛鸺厥粘晒Σ灰?,一旦航天人掌握某種成熟方案,就有望獲得豐厚的回報(bào)。于是,從航天愛好者到資深科學(xué)家,不斷提出一系列令人眼花繚亂的火箭回收新方案,多條路線齊頭并進(jìn),努力找到水平更高、效益更大的“通關(guān)秘籍”。

近年來,多國航天人提出了繩網(wǎng)吊掛回收火箭的設(shè)想,引發(fā)了不小的關(guān)注。各國方案的共同點(diǎn)是搭建矩形回收平臺(tái),四角由高聳的塔柱穩(wěn)定,連接起眾多纜索,多層布置,每層呈現(xiàn)“井”字形,構(gòu)成受力復(fù)雜的強(qiáng)韌大網(wǎng)。預(yù)計(jì)火箭子級(jí)以近似垂直姿態(tài)落入感應(yīng)區(qū)域時(shí),第一層纜索中的多組平行的纜索在感應(yīng)器幫助下快速移動(dòng),精確地對(duì)準(zhǔn)火箭子級(jí)下墜方向,并掛住尾鉤之類的部件,進(jìn)而觸發(fā)第一層全部纜索受力。隨著火箭子級(jí)繼續(xù)減速下落,各層纜索以同樣的方式進(jìn)行吊掛作業(yè),直至火箭子級(jí)停止下墜,安全回收。

為確保纜索鉤掛火箭子級(jí)的可靠性,一些方案增添了特殊材料制成的夾具,可以使火箭相對(duì)輕微地側(cè)向受力,減速效果有可能更顯著。

顯然,這種新穎的回收方式使火箭不必預(yù)留大量燃料,還能省掉緩沖腿等部件,有望顯著提升運(yùn)載能力,又能大幅降低火箭保持姿態(tài)的控制難度。但是,為了及時(shí)“截?!被鸺蛹?jí),纜索材料與全系統(tǒng)機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度和精度上都會(huì)面臨毫不輕松的考驗(yàn)。另外,火箭子級(jí)拋離的精確控制、天氣條件等恐怕都會(huì)影響其“自投羅網(wǎng)”的成敗。

或許是感覺火箭子級(jí)下墜中找準(zhǔn)落點(diǎn)太難也太麻煩,近年來航天愛好者們提出了一種更加簡單粗暴的方案——天坑回收。簡單地說,就是利用天然地質(zhì)構(gòu)造,或者挖掘出深度數(shù)十米、直徑超過10公里的大坑,在里面大量填充緩沖材料,可以是生活廢棄塑料再加工,或者是各類植物纖維加以改造。

而火箭回收過程也很簡單,只要墜落點(diǎn)在天坑的范圍內(nèi),數(shù)十米厚的緩沖材料能夠在很大程度上保障任務(wù)的安全性。接下來,在附近待命的直升機(jī)迅速飛到天坑上方,放下索鉤,吊運(yùn)火箭子級(jí),將其運(yùn)回車間,投入下一次發(fā)射任務(wù)的準(zhǔn)備工作中。

天坑回收模式聽起來有點(diǎn)兒戲,但可以降低火箭子級(jí)返回途中付出的物質(zhì)代價(jià)和技術(shù)難度,建立另類回收?qǐng)鲆矝]有多少技術(shù)上的障礙。問題是,巨大天坑的建造投入必然很大,而露天回收?qǐng)鋈螒{風(fēng)吹雨打、烈日暴曬,緩沖材料的狀態(tài)如何?怎樣及時(shí)維護(hù)保障?恐怕提議者心里也沒底。

其實(shí),在眾多的火箭回收奇思妙想中,有一個(gè)方案雖然僅停留在概念階段,但在理論上相當(dāng)完美,那就是自滑翔返回。簡單地說,就是給火箭子級(jí)裝上可折疊的機(jī)翼和舵機(jī),及時(shí)“變身”保安全。

眾所周知,火箭子級(jí)的拋離點(diǎn)往往是在數(shù)萬米的高空,具備巨大的勢(shì)能。隨著火箭子級(jí)進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng),勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為巨大的動(dòng)能,促使它不斷加速下墜。常規(guī)的保護(hù)火箭子級(jí)的方法是盡量從垂直方向上抵消這種極具破壞力的動(dòng)能,通過“軟硬兼施”的手段減速。而自滑翔返回方案則是“化危為機(jī)”,使火箭子級(jí)利用動(dòng)能飛行。

在火箭子級(jí)加速墜落的過程中,如果機(jī)翼與舵機(jī)及時(shí)展開運(yùn)作,在無人駕駛技術(shù)加持下,有望使火箭子級(jí)從自由落體狀態(tài)很快改為水平飛行狀態(tài),好像從高空俯沖的滑翔機(jī),只不過更追求平穩(wěn)飛行,不斷消耗可怕的動(dòng)能,最終安全落地。

暢想未來,火箭的外形設(shè)計(jì)更加優(yōu)化,材料、工藝和無人智能駕駛技術(shù)達(dá)到更高的水平,那么火箭子級(jí)自主搜尋、定位并飛回發(fā)射基地,平穩(wěn)地降落到跑道上,完成從航天器到航空器的“華麗變身”,絕非癡人說夢(mèng)。 (作者:孫飛)



歡迎掃碼關(guān)注深i科普!

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動(dòng)和科普好物!


聽說,打賞我的人最后都找到了真愛。