航天没有标准答案：复用火箭技术多线并举

8月19日07时35分，由蓝箭航天研制的朱雀三号运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空，一子级成功着陆于回收场预定位置，二子级将搭载的鸿鹄03星顺利送入预定轨道，飞行试验任务取得圆满成功。

本次任务是我国首次成功实施运载火箭一子级陆地回收、首次采用着陆腿方式实现回收，标志着重复使用火箭技术取得重大突破。朱雀三号也由此成为继长征十号乙之后，我国第二型圆满完成轨道级发射及回收任务的火箭。

观察国内外复用火箭，可以看到多种不同技术路径。各有什么特点，听听专家怎么说。

第一问：不锈钢箭体材料成新宠，铝合金会被“打入冷宫”吗？

箭体结构相当于火箭的“躯干”，主要包括贮箱、壳段等，其所用材料影响着火箭的运力、成本和生产制造。

国内外主流一次性火箭主要采用铝合金作为箭体结构材料，也有多型复用火箭，例如SpaceX的猎鹰九号、蓝色起源的新格伦、天兵科技的天龙三号，以及中国航天科技集团的长征十号乙、长征十二号甲等，都是用铝合金材料。

不过近年来，不锈钢材料越来越受商业火箭青睐。朱雀三号、SpaceX的超重—星舰均采用不锈钢材料。

两种材料各有特点。铝合金材料强度高，有助于火箭减重并提高运载能力；不锈钢密度大，而且受焊接工艺限制，材料需要达到一定厚度，这都会使火箭更重。不过这种影响会随火箭规模变化。经测算，箭体直径在5米以内，铝合金“减重增效”作用明显；随着箭体直径增大，箭体结构的设计厚度与焊接工艺的允许厚度逐渐接近，不锈钢对运载能力的影响不断变小；对于10米级直径的重型火箭而言，使用不锈钢材料更能提升火箭综合竞争力。

朱雀三号副总设计师董锴介绍，朱雀三号所用不锈钢原材料成本和加工制造成本仅约铝合金的五分之一，而且不锈钢零件生产制造的成型效率更高，材料利用率也较高，更利于大规模产业配套。

可以说，不锈钢材料成为商业火箭新宠确有道理。但铝合金并不会被“打入冷宫”。多年来，中国航天在铝合金原材料管控、零件成型、组件焊接、部件装配等方面有着丰厚积累。在复用火箭研发中，充分利用现有基础条件先完成技术验证与快速研制，形成能力后同步推进材料体系更新换代，培育市场化配套能力，不失为一种发展思路。

第二问：液氧甲烷推进剂成“天选”，液氧煤油还有用武之地吗？

推进剂则好比火箭的“血液”，是决定火箭性能、成本与可复用性的关键因素。当前主流复用火箭动力系统采用的主要有液氧煤油和液氧甲烷这两种推进剂。

航天迷对“液氧煤油”应该不陌生。从猎鹰九号到我国新一代运载火箭长征五号、长征七号等，包括长征十号乙的芯一级，均采用这种推进剂。煤油是常温液体，地面加注方便，运输储存成本低，而且能量密度大，密度比冲（单位体积提供的推力）更高。

但对于复用火箭来说，煤油在高温燃烧后容易产生积碳和结焦，尤其对发动机再生冷却通道影响明显，长期使用会降低散热效率，甚至导致通道堵塞。每次回收后，火箭发动机都需要进行复杂的清洗和维护，增加了复用工作量和时间成本。

相比之下，液氧甲烷更像是为复用火箭量身定制。朱雀三号、星舰、新格伦，用的都是液氧甲烷推进剂。董锴介绍，甲烷分子结构简单，燃烧更充分，几乎不产生积碳，这使得发动机内部更干净，回收后简单吹除就能再次使用，周转效率极高。同时，甲烷的结焦温度高达978摄氏度，远高于煤油的589摄氏度，允许发动机在更高温度和压力下工作，有利于提升其性能和寿命。此外，液氧甲烷所需点火能量更低，多次启动能力更强，更适合在太空多次点火变轨；甲烷还能“自生增压”，可省去高压气瓶系统，简化增压输送设计。

不过液氧甲烷也有短板。甲烷属于低温推进剂，储存和加注条件与液氧接近，比煤油更难管理。另外，甲烷密度只有煤油的一半左右，为此火箭要为它配备更大的贮箱。

第三问：网系回收方式更为友好，为啥还用着陆腿？

在火箭回收方面，国际上开展过伞降、水平回收、垂直回收等尝试。目前，垂直回收是国际主流回收模式，从猎鹰、新格伦，到长征十号乙、朱雀三号，都采用了垂直回收方案。

朱雀三号所用可展收着陆腿方案，是结合商业航天经济性和竞争策略综合考量的选择。该方案已被猎鹰九号验证数百次，技术路径清晰，工程研制确定性高，能够满足高频次重复使用需求，但是对火箭推力控制精度和着陆缓冲系统有极高要求。

不过该方案对着陆场地的要求较低，回收场建设、维护成本也不高。朱雀三号副总指挥沈超介绍，此次朱雀三号回收，用的是蓝箭航天在甘肃民勤建设的回收场，方形场坪面积不到400平方米，后端建有控制区，可满足火箭返回着陆全程测控与全流程后处理需要。

长征十号乙则采用我国独创的大承载高缓冲海上网系回收技术，其形式为：在海上平台布设高空阻拦索，当火箭降至一定高度时，箭上挂索机构被4根“井”字形绳索挂住，完成捕获回收。

相比目前其他垂直回收方案，网系回收对火箭的着陆指标更为友好：一是火箭无需配备着陆腿，有助于简化箭上结构，减轻重量；二是对火箭落点容错能力强，可通过网系的协同“放大”捕获窗口，提升捕获、缓冲的成功率；三是回收系统可以通过系列化设计，适应不同规模火箭的回收需求。

其缺点也显而易见：这么复杂、庞大的回收平台，不是谁都造得出、造得起的。

综上所述，复用火箭面对的是箭体材料、推进剂、回收方案的不同选择。

不锈钢+液氧甲烷的组合，在可复用性、维护便捷性、长期运营成本方面具有明显优势，适合高频次、大规模实施任务，或开展深空探索。但在发展初期，铝合金+液氧煤油不失为一条高效路径。该方案技术成熟、供应链完善，有助于更快实现发射入轨和验证回收并抢占市场。例如SpaceX就是先用猎鹰九号（铝合金+液氧煤油）站稳脚跟，再推进星舰（不锈钢+液氧甲烷）的研发。

至于回收方案，待各家把“基本功”练扎实，谁知将来会解锁什么“新姿势”。

航天没有标准答案。无论哪种技术路径，背后都是对技术规律的尊重和对市场需求的回应。未来的太空，将由多样化的探索共同点亮。

（原标题为《复用火箭技术多线并举》）

来源：付毅飞/科技日报