熱知識！捆綁火箭海上發射的技術難度

回顧2023年商業航天領域的大事件,美國太空探索技術公司SpaceX星艦無疑是全世界流量焦點。這不奇怪,星艦作為商業重型運載火箭,巨大的串聯式箭體本身就足夠“吸睛”,這樣的設計目的很明確,達成大推力、大運載的星際航行目標。而觀察世界各航天大國的中大型火箭,目前的主流則是選擇采用捆綁型技術,以此滿足高可靠、大運載的太空運力需求,如德爾塔、長征五號等。

事實上,在商業航天領域SpaceX同樣也以捆綁式火箭執行面向中低軌道上的高載荷發射任務,比如其打造的獵鷹9號重型版。而在中國的商業航天領域,同樣也誕生了中大型捆綁火箭,這就是東方空間的引力一號運載火箭。相比于其他捆綁火箭不同的是,引力一號采用固體捆綁、海上發射的技術路線,以滿足高可靠、低成本、大載荷的中低軌道衛星組網需求。那么,引力一號技術路線背后有著怎樣的現實考量呢?

捆綁技術,商業航天運力“倍增器”

早在100多年前,航天之父前蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基提出了“火箭列車”概念,把兩節以上火箭串聯或并聯起來,組成一列多級火箭提高第一宇宙速度,從而戰勝地球引力,串聯式和捆綁式火箭就是這一概念的技術延伸。

相比于串聯式火箭,捆綁式火箭具有一定的技術難度,但優點也比較明顯。難度在于,火箭在飛行中級間分離的安全可靠性,特別是不能因助推器分離,而影響芯級火箭的工作和飛行姿態;此外,捆綁式火箭一般采用側向分離,相對串聯式火箭的縱向分離,技術復雜性也較高。而優勢在于,明顯縮短整個火箭的長度,避免給結構制造和飛行帶來必要的影響,并可適應陸海兩種發射狀態;更重要的,捆綁助推器能同時產生更大的推力,實現更大載荷飛行任務,有效提升經濟性,目前國內運載能力達到10噸以上的火箭均為捆綁火箭。事實上,未來火箭能力大幅升只有兩條路,一是提高發動機推力和性能,另外就是捆綁并聯更多模塊,因此火箭捆綁技術是研制更大運載能力火箭的關鍵技術,據了解,東方空間除引力一號外,也同期開展中大型火箭研制工作,將可以形成技術積累,為未來打造具有更高運載能力的重型火箭,打下堅實的基礎。

除了捆綁構型,東方空間引力一號采用固體燃料推進技術,核心出發點就是尋求大載荷與經濟性實現兼容,滿足大運力、低成本、快發射的商業航天需求。據了解,由于燃料特性,固體火箭需要的零件數量更少、更加輕小,因此更具可靠性,且不需要發射前加注燃料從而極大的縮短了火箭發射準備周期,具備快速響應發射的特點。目前,固體火箭已經成為了國際上中、大型運載火箭助推器的重要選擇,比如我國長征六號改、美國航天飛機及新一代登月火箭SLS、歐洲阿里安5/6等型號都使用了固體助推器。

國內外固體運載火箭的運載能力目前主要集中在300-500公斤、1噸、2噸左右量級,東方空間引力一號通過并聯捆綁技術,創新突破了固體運載火箭大運力的瓶頸,達到6.5噸的近地軌道運載能力,并為中型運載火箭的快速應急發射的實現提供了解決方案,后續可以應用在應急衛星組網、空間站應急運輸方面。

海上發射,推進商業航天發展的重要“平臺”

東方空間引力一號的另一大特色是在海上發射首飛,這相比陸上發射技術難度更上一個臺階。中國在2008年就開始了海上發射技術的研究,在2019年使用“長征11號”運載火箭從黃海海域進行了國內首次海上發射,當年的發射成功將中國與美國、俄羅斯、歐洲并列為世界上能夠實現海上發射的四大航天強國。

海上發射之所以受重視,是因為相比于陸地發射,在商業航天發射領域具有諸多優勢。海上發射可以根據衛星軌道和氣象條件靈活挑選發射地點和時間,提高發射效率;避免陸地發射場的限制和干擾,減少對環境和人口密集區的影響;增加火箭的有效載荷和軌道傾角范疇,擴大衛星應用領域;不受內陸鐵路等運輸條件限制,大尺寸結構件可海運;此外,國際化運營潛力大,使我國運載火箭逐步具備實施全球海域發射能力,使國際發射服務不再局限于國內發射場,為開展“上門服務”、“合作發射”等新合作模式提供技術基礎;同時,運載火箭海上發射采用的發射平臺及保障船均可與民用資源有效結合,打造更具有優勢的全流程使用成本。

突破海上發射技術,可以說為中國商業航天實現“發射航班化”、“任務定制化”提供了更多可能。引力一號了實現我國中型捆綁運載火箭的機動發射,進一步提升我國海上發射技術水平和能力,擴充了我國中型運載火箭海上機動發射能力。

中國的商業航天之路任重道遠,需要更多更實用的技術方案,更腳踏實地的科學精神、以及未雨綢繆的商業判斷,才能實現更為長效、可持續的發展,真正筑就“堅如磐石”的航天強國事業。