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“朱雀三号”(遥一)运载火箭
预计最早在北京时间2025年12月3日12:00,“朱雀三号”(遥一)运载火箭将在酒泉卫星发射中心蓝箭航天液氧甲烷2号发射工位执行首飞任务,此后火箭一级还将首次尝试入轨级回收。作为一款由民营商业火箭公司研制的可复用大型液氧甲烷运载火箭,在多重因素叠加之下使其备受关注,如何看待“朱雀三号”及其首飞?
中国可复用液氧甲烷火箭的代表
在世界航天领域,随着地球轨道资源的深入开发和航天科技的进步,计划发射的航天器数量和质量都在快速增长,而运载火箭特别是大型运载火箭能提供的发射机会有限。在以巨型低轨卫星星座为代表航天工程规划实施以后,数量巨大的星座卫星排队等待发射,星多箭少的矛盾更加突出,迫切需要大型运载火箭提供低成本发射服务,而大型可复用液氧甲烷火箭则成为最优选择之一。
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“朱雀三号”(遥一)运载火箭
蓝箭航天成立于2015年6月,是中国最早成立的民营商业火箭公司之一,其对标太空探索技术公司(SpaceX),目标打造可复用火箭。基于后发的便利,其液体运载火箭的研制跳过了液氧煤油路线,直接选择了整体更优的液氧甲烷路线。蓝箭航天首先打造了一次性液体火箭“朱雀二号”,而后基于“朱雀二号”的主动力技术打造大型可复用甲烷火箭“朱雀三号”。
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“天鹊-12A”喷管内侧试车之后的状况
长期而言,在可复用火箭中,相较于液氧煤油动力路线,液氧甲烷动力路线是整体更优的选择,其燃烧剂甲烷具备一定的成本优势,但是最大优势还是关于重复使用间隔的时间成本优势。由于甲烷燃烧之后的结焦和积炭现象极为轻微,回收维护成本更低,更重要的是其回收复用周期更短,最快能实现回收即转复用,单一模块箭体能形成更高频次发射能力,进而推动发射成本的进一步下降。
作为中国最早探索液氧甲烷动力的民营商业火箭公司之一,蓝箭航天也是中国最早规划研制可复用液氧甲烷火箭的公司之一,其倾力打造的“朱雀三号”已经成为中国可复用液氧甲烷火箭的代表。而在“朱雀三号”改进型投入运营后,逐步满足“大运力、高频次、低成本”的发射需求,最终将成为中国商业运载火箭的主力型号。
中国最早实施入轨级回收的火箭之一
在世界首颗人造地球卫星成功发射之后的半个世纪里,世界各航天大国(含实体)研制发展的主要是一次性运载火箭,后由于发射需求的增长和技术的进步,可复用火箭成为选项之一。早在20世纪末,中国就已经密切关注世界可重复使用运载火箭的发展态势,21世纪初,中国展开了可复用火箭相关的技术探索,适度开展了重复使用运载器的关键技术攻关。时至今日,在太空探索技术公司(SpaceX)把可复用火箭路线走通后,发展可复用火箭已经是大势所趋。
21世纪20年代开始,在前期技术积累的基础上,中国先后有多型可复用火箭立项研制,国有航天企业、商业航天企业齐头并进,就研制进度而言,“朱雀三号”是走在最前面的几个可复用型号之一。
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“长征十二号甲”可复用液氧甲烷运载火箭
当前,在酒泉卫星发射中心东风商业航天创新实验区,已有4型以可复用标准打造的液体运载火箭进场准备首飞,包括天兵科技的“天龙三号”、中科宇航的“力箭二号”、航天科技八院的“长征十二号甲”以及“朱雀三号”,其中“长征十二号甲”和“朱雀三号”一级具备尝试入轨级回收的能力。
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“朱雀三号”VTVL-1试验箭10千米垂直起降飞行试验
2024年,在东风商业航天创新实验区,“朱雀三号”VTVL-1回收试验箭先后成功完成了350米低空垂直起降飞行试验(2024年1月19日)、10千米垂直起降飞行试验(2024年9月11日)。2024年6月23日,在东风商业航天创新实验区,“长征十二号甲”龙行二号试验箭成功完成了12千米垂直起降飞行试验,2025年1月19日,龙行二号试验箭实施了中国首次75千米垂直起降飞行试验,目标实现海上溅落回收。两型火箭的下一步目标都是实现入轨和回收。
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“猎鹰九号”发射及一级回收任务剖面图
入轨级回收是一个难度极高的技术项目,是一项高空高速高精度远距离打靶。以“猎鹰九号”近地轨道(LEO)发射任务航区回收为例,回收船与发射工位的水平距离为300千米,一二级分离后一级下落点高度超过100千米、速度约2000米/秒(中国高速限速标准约33米/秒),在开始下落4分钟后一级需要快速、精准降落在宽度仅有几十米的回收船甲板上,落点偏差需要控制在10米之内,相当于百米穿针的精度。
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“朱雀三号”遥一火箭一级
为了实现火箭回收,火箭发动机需要具备多次点火能力(航区回收含起飞点火需3次点火)、深度变推力能力(调节区间大于50%∼100%)、精准调节推力能力(控制精度达到额定推力0.5%),如此才能快速精准完成大的速度减量(从约2000米/秒到1米/秒)。同时,为了实现高精度打靶,一级需要配备高水平制导导航与控制系统(GNC),包括制导部分:飞控计算机;导航部分:惯性测量装置(陀螺仪、加速度计);控制部分:姿控系统、 栅格舵,最终控制火箭一级按照设计飞行轨迹精准调姿、平稳降落。
预计在2025年12月,“长征十二号甲”将实施入轨首飞并回收一级。作为同期首飞的可复用甲烷火箭,“朱雀三号”将成为中国最早实施入轨级回收的火箭之一,一旦成功则有望成为中国入轨回收第一箭,这将是中国运载火箭发展史上的标志性事件,意味着中国运载火箭开启了从一次性到可复用的跨越。
成功首飞到能力形成距离不止“一公里”
本次“朱雀三号”首飞型号为基础型,相较于改进型,基础型的起飞质量更小、高度更低、运力更小,基础型全箭高66.1米,起飞质量约570吨,起飞推力约770吨,非回收状态近地轨道(LEO)运力11.8吨,运载系数2.1%,航区回收近地运力8吨。在回收状态下,“朱雀三号”基础型的运力仅相当于“长征八号”,而在非回收状态下,其运力也仅相当于“长征八号甲”和“长征十二号”。
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“朱雀三号”基础型与改进型参数对比
显而易见,“朱雀三号”基础型仅为该系列火箭的过渡型号,主要目标是实现连续稳定入轨发射及回收复用能力。参考“朱雀二号”的发展路径,“朱雀三号”基础型首先也只会小批量生产,边打边看、边打边改,至少要经历一次大的迭代,一级和二级主发动机分别由“天鹊-12A”和“天鹊-15A”替换为推力更大的“天鹊-12B”和“天鹊-15B”,最终形成目标的近地21.3吨的大运力。
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“朱雀三号”由基础型到改进型的过渡将是一个不短的过程,期间“朱雀三号”既无法提供“大运力”,也无法实施“高频次、低成本”发射。而即便在改进型推出之后,从成功到连续成功,再到实现高频次发射,这个能力建设的过程也会是一个循序渐进的过程,时间较长。所以,“朱雀三号”即便成功首飞,其距离市场期待的“大运力、高频次、低成本”发射服务还会有一段较长的距离,需要建立科学理性的认识。
结语
在经历多年的技术积累过后,中国可复用运载火箭正在进入入轨飞行试验阶段,多型火箭计划于2025年至2026年实现入轨首飞,其中“星云一号甲”、“智神星一号”等多个型号将尝试入轨级回收,“朱雀三号”是其中的代表之一。对于可复用火箭而言,首先还是实现成功发射,然后是实现连续稳定成功发射,之后才是成功回收复用和连续稳定回收复用。所以,在“朱雀三号”首飞任务中,主要目标也是成功入轨,兼顾实施入轨回收,成功入轨即为任务成功,对于回收可以期待但不要苛求,世界还没有一步到位的先例。最后还是希望“朱雀三号”能够顺利飞天并平稳返航。
作者:木兰星舟
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