【文/观察家流纹石专栏作者】12月3日，大型两级可重复使用液氧甲烷运载火箭“朱雀三号”从酒泉卫星发射中心LC-96B发射场发射升空。北京时间12:00，火箭点火并升空。经过一二次分离、整流罩分离和二次点火，模拟有效载荷最终成功送入指定轨道。火箭第一级试图降落在甘肃省武威市明清县附近的一处填海造地场地。网格舵展开成功完成，再入点火开始和停止，并在着陆和点火期间继续。然而，着陆点火后约三秒发动机失灵，尾舱起火，火箭最终坠落在机场中心67.2米处的地面，未能回收。 朱雀3号从朱雀2号飞往朱雀3号。蓝箭宇航成立于2015年，是驱动器n 以国家战略为导向，以市场需求为重点。公司正致力于开发一系列以液氧甲烷为推进剂的中大型运载火箭，为全球市场提供可靠且具有成本效益的发射服务。蓝箭航天朱雀二号液氧甲烷运载火箭项目于2017年9月立项，项目阶段研制工作于2018年12月启动。朱雀二号运载火箭采用液氧甲烷作为推进剂，采用两级构型。火箭体直径3.35米，火箭总高度49.5米，起飞重量219吨，起飞推力268吨。整流罩直径较大，最大达3.35米，总长8,237米。火箭第一级采用4台80吨级天雀一号液氧甲烷发动机并联，第二级采用一台80吨级天雀一号液氧甲烷发动机与一台发动机组合。10吨级天雀11型液氧甲烷发动机。 2023年7月12日，朱雀二号遥二号火箭在酒泉卫星发射中心执行入轨任务。火箭运行正常，顺利完成预定飞行计划，已完成并将模拟有效载荷送入轨道。首飞成功后，朱雀二号火箭成为世界上第一枚成功入轨的液氧甲烷火箭。蓝箭航天成为全球第九家、中国第四家实现火箭入轨的民营企业，标志着新型低成本液体推进剂应用于运载火箭的里程碑。 2023年12月9日，在“朱雀二号遥二号”火箭成功入轨五个月后，“朱雀二号遥三号”火箭从酒泉卫星发射中心发射升空，将鸿鹄卫星、天一三十三号卫星和鸿鹄二号卫星送入460公里太阳同步轨道。这枚火箭成功发射这是蓝箭航天公司在单枚火箭上发射多颗卫星的商业发射任务，代表着蓝箭航天公司在建设商业运营能力方面的持续进步。本次“一箭三星”商业发射任务的顺利完成，进一步验证了朱雀二号作为全球首个连续成功发射的液氧甲烷火箭的技术成熟度和稳定性，并表明其可靠性满足商业发射运输要求。蓝箭航天也成为国内首家连续成功发射中大型液体火箭的民营和商业航天公司，开启了国产常规液体火箭大规模商业发射的新阶段。至此，蓝箭航天已通过三枚试验箭证实了朱雀二号总体及分系统方案的准确性，成为国内唯一一家依靠自主研发的液氧甲烷发动机实现连续飞行的公司。无数次发射到轨道。调整得到充分验证，积累的飞行样本为后续火箭和发动机产品设计改进和可靠性提升建立了良好的数据库，为朱雀三号液氧甲烷可重复使用运载火箭的研制奠定了坚实的基础。在朱雀二号火箭、VTVL-1试验火箭和朱雀二号联合升级火箭的研制和发射积累技术后，蓝箭航天又发射了朱雀三号可重复使用液氧甲烷火箭。火箭本体直径4.5米，整流罩直径5.2米，飞行器总长76.6米，起飞质量约660吨，起飞推力约900吨，低轨道有效载荷能力21.3吨。整个火箭体配备四组可伸缩网格舵作为气动控制面，用于航空中的姿态调节和着陆点控制第一阶段的动态减速部分。起落架安装在尾部，在第一级回收期间提供垂直着陆。自2024年初以来，朱雀三号使用的天雀12B发动机的研制似乎遇到了几个问题。从2023年底开始，蓝箭航天计划使用朱雀二号E火箭发动机，将推力提升至80吨，为朱雀三号运载火箭的首飞提供动力，并使用“小型化”的朱雀三号运载火箭执行首飞任务。 “缩小版”的朱雀三号起飞质量为570吨，单次近地轨道发射能力为11.8吨，回收能力指数为8吨。 朱雀三号遥一火箭的尾部。朱雀三号是中国第一艘不锈钢液体运载火箭。罐体结构采用高强度不锈钢制成。选材、结构形式、焊接工艺、生产设备均属国内原创。不锈钢的钢制火箭体结构可以显着降低火箭的制造成本，缩短生产周期。其耐高温性能在火箭的多次返回和重复使用中具有明显的优势。此外，基于液氧和甲烷的低成本、甲烷发动机的无碳沉积、易于维护和全生命周期监控的特点，朱雀三号火箭的第一级发动机理论上可以在火箭回收后进行不落箭的检查。加油后，它可以再次飞行，实现全面的飞行操作，与消耗性火箭相比，发射成本可降低80％至90％。 朱雀三号已发射升空。虽然朱雀三号的成功首飞证明了该型火箭具备将有效载荷送入地球轨道的能力，但该型火箭的首飞能力实际上远低于预期。除了非常保守的首飞和严格的在着陆面积的限制下，火箭仍然有自己的问题，其中最明显的就是超重。太晚了。这是国内首次将不锈钢用于火箭油箱制造，具体性能验证尚未确认，但蓝箭并不是唯一存在不锈钢油箱超重问题的。当低温不锈钢强度达到1300-1400 MPa时，邻近的Starship仍然不足。它的v2版本容量只有35吨（Centaur的液氮冷轧强化工艺可以将不锈钢的强度提高到2200兆帕，但它非常昂贵，而且对温度变化非常敏感，因此可能不适合可重复使用的火箭）。为了缓解这一问题，蓝箭计划更换缩小版朱雀3的部分铝合金结构，并继续修改细化油箱设计，以重新设计。杜斯质量。但何时能达到预期产能水平仍有待观察。成为可回收火箭 为了重复利用火箭，它首先必须能够“倒带”。这意味着火箭第一级必须完成姿态调整、再入点火、分离后着陆等几个阶段。这对可重复使用火箭的设计水平提出了非常高的要求。首先，机载发动机必须能够多次启动，并且在重返大气层时能够稳定可靠地启动。例如，SpaceX猎鹰9号火箭典型的再利用任务包括首先停止并分离第一级，调整其姿态，然后滑翔到110公里以下的高空，重新进入大气层，并在70公里的高度进行再入燃烧（REB）。如果需要将初级阶段返回现场进行恢复，则会发生快速U形烧伤，称为返回发射场烧伤（BBB），第一阶段分离后也需要。重复使用火箭时最大的困难是在第一级返回飞行期间管理推进剂。火箭发动机的油箱内始终有由推进剂组成的液体部分和用于加压的气体部分（气枕）。水箱底部的发动机入口管应只允许液体进入。如果气体（进气口）混入，可能会损坏发动机的高速旋转涡轮泵。因此，必须避免空气进入发动机进气口，并且需要对螺旋桨进行管理。在可重复使用的任务中，火箭基本上在微重力下飞行，从第一级停用到第二级燃烧，助推器完全“自动弹出”并漂浮在推进剂箱内。如果直接启动发动机，难免会混入空气，可能会导致罐内推进剂异常燃烧，引发爆炸。以蓝色起源公司新格伦 r 的首次飞行为例插座。采用了所有三个发动机同时点火的策略。然而，由于入口压力不足，发动机进入了一种特殊的气液平衡状态。泵内充满了气体和液体的混合物，导致发动机无法可靠启动。最后，第一级火箭被被动压力击碎。在第二次飞行中，蓝色起源增加了加压供应系统提供的入口压力，使所有三个发动机顺利点火，帮助新格伦火箭在回收船上安全着陆。 朱雀三号第一级在着陆点坠毁。保守地说，解决这些问题需要在火箭第一级推进剂箱中安装一个装置，以确保在第二次燃烧之前有足够的推进剂进入发动机正常点火。为了抑制推进剂晃动，采用了由不锈钢网和分隔壁组成的表面张力液体储存结构。通常安装在护堤的上层。这种设计被称为“完全管理的坦克”。但由于第一级火箭的体积巨大。如果安装任何类型的金属网/舱壁结构用于表面张力液体储存，所付出的质量成本将是难以想象的。因此，要达到“四冲程或二冲程”的效果，通过安装合适的小型装置（猎鹰9号的第一级连管理装置都没有），就可以保证发动机进气口保留一定量的推进剂。同时，利用姿态控制发动机在主机点火前提供一定的减速，保证助推器沉底。蓝箭航天在朱雀三号第一级采用低温氮气姿态控制，分为两组：姿态控制A和B。每个姿态控制组有一个包括八个直列定向姿态控制推进器和两个诊断仪只有向下沉的推进器提供基本的下沉控制。级间部分的 12 个气缸中装有冷氮气。 朱雀三号八追火箭静态点火时的着陆和点火问题有些不同。在再入点火之前，火箭基本上飞出大气层，位于高空大气层极其稀薄的区域。基本上，您处于微重力环境中。因此，对再入点火可靠的推进剂下沉有特殊要求。在最终着陆之前，火箭从大约5马赫降低到小于1马赫的亚音速段。着陆之前，火箭体积不是很大，但仍然处于显着负加速度（约-0.4克）的环境中。即利用空气动力阻力将螺旋桨制动至底部。但现阶段，火箭需要用齿条舵调整姿态，且油箱内推进剂量较低，因此当岩石振动时，容易发生晃动和飞溅，从而使空气滞留在发动机进气口，导致发动机损坏或解体。可重复使用火箭飞行的低级推进剂管理可以使用计算流体动力学进行部分模拟，但所需的计算可能太大而无法提供足够的精度，并且发射塔的测试成本高昂且时间短，因此实际测试的使用仍然至关重要。蓝箭也进行了大量的模拟测试，但细节仍需通过飞行来验证。此外，火箭再利用带来了许多挑战，包括火箭再入和点火期间的热保护问题。猎鹰9号最初使用的柔性防火织物在大气层再入过程中被空气动力压力撕裂，导致热空气流入尾舱，导致飞机故障。然后改成硬分区。目前，朱雀3似乎使用了灵活、高h-密度硅基编织材料。可能有必要通过实践来证明这种材料是否能够抵抗重返大气层。凸优化控制算法也存在常见问题。与嫦娥三号和蓝色起源的悬停着陆相比，猎鹰9号采用了独特的直接着陆方案。当发动机停止时，火箭只需接触地面即可完成着陆。它节省大量燃油，不需要发动机深度加速，但难以控制。朱雀三号还采用凸优化算法引导火箭精确着陆。再入点火启动所有五个发动机并完成再入点火过程。着陆点火首先打开五个发动机，11秒后关闭四个外侧发动机，最后依靠中心发动机着陆。重要的是要有足够的运输能力来将火箭从“可用”状态重复使用到“可用”状态。猎鹰9号的成功并不在于它可以e 已恢复，但每次飞行都可以恢复。单次飞行的边际成本仅为1500万美元。承载能力充足，单价低廉，极具竞争力。因此，可重复使用的火箭要想充分发挥作用，就必须具有足够的有效载荷能力。提高承载能力就是增大推力、增大比冲、减轻重量。与前两者主要是电力系统任务相比，这里我们主要分析后者。得益于超轻量的2195锂铝合金油箱和高度简化的结构，猎鹰9号实现了第一级20的干质量比，第二级29的干质量比。此外，带有气体发生器循环的超高比冲发动机提供了极高的运输能力。朱雀3号采用301不锈钢罐体表面筋条激光焊接工艺代替传统铝合金罐体铣墙板+肋条搅拌焊接。这有效降低了成本，同时也提高了质量。为此，像朱雀三号这样的不锈钢火箭，其设计几乎是国产火箭中从未见过的，国外也只有超重型助推器、新格伦火箭等相对较新的可重复使用火箭使用。 过渡到朱雀三号一级火箭 众所周知，在传统的一次性火箭中，尽可能减小转动惯量，以减轻控制系统的压力。这样做绝对是一个愿望。因此，在第一级火箭中，通常将较重的氧化剂放置在火箭质心较高的位置，以减少转动惯量。对于大多数传统火箭来说都是如此。然而，随着超重型助推器和 Zaku-3 等不锈钢火箭的出现，情况发生了变化，它们的底部有重液氧，顶部有较轻的甲烷。原因也很简单。热过载位于顶部的vy氧化剂通过油箱转移至发动机的推力架。由于氧化剂比燃料重得多，因此必须向燃料箱添加大量额外质量以抵抗液氧的惯性力。通过将液氧放置在底部，液氧的惯性直接从罐底部传递到发动机，从而减轻了质量。但缺点是力臂变长，较难控制。朱雀3号的燃料箱全部是薄壁轻质管，但氧化剂箱是内部加固的储存箱，类似于v1版本的超重型航天器系统（图片为断续焊接）。目前的不锈钢火箭加油机都或多或少地超重，需要利用各种设计细节来尽可能减轻重量。此外，成都飞机设计研究院研制的浩龙一号货运航天飞机中国航空工业集团公司的e号也计划由朱雀三号火箭发射。昊龙一号货运航天飞机是中国成都航空工业研究院自主设计研发的有翼、可重复使用的商业航天器，旨在进一步降低向空间站运输货物的成本。中国。用于执行向低成本空间站运输货物的任务。为了执行前往中国空间站的货运任务，朱雀三号的重量必须超过7吨，其第二级必须旋转约10度。此外，对该型火箭的实际运载能力也提出了更高的要求（或许第一级回收能力为8吨）。强大的天雀12B发动机研制成功，计划于2027年发射，运力100吨。蓝箭还配备了面积比为130的巨大铌钨合金喷管。新研制的天雀12B和天雀15B将用于实现朱雀三号满飞，有效载荷超过20吨，将用于支持多个低轨卫星互联网任务。相关基础设施蓝箭航天在酒泉卫星发射中心为朱雀三号新建了一座LC-96B发射站。与猎鹰9号采用的三级设计不同，朱雀3号火箭的第一级水平移动，第二级垂直提升和装载，用桥式起重机构建发射塔。至于回收，可重复使用火箭的停止速度似乎不是很快，但回收范围仍然可以达到数百公里。对于典型的高强度近地轨道任务，例如星链的猎鹰9号发射，关闭速度约为每秒2270米，射程约为630公里。新格伦火箭发射EscaPADE双星，制动速度约为每秒2000米，射程598公里。朱雀3号，具有类似的设计，将具有与其第一级火箭相同的制动速度和射程。在这种情况下，你会遇到一些问题。首先，与海上回收船不同，陆地回收作业着陆场不能随时改变停放位置。 “朱雀三号”计划用于中国空间站低成本货物运输任务（41.6度倾角）、卫星互联网工程二期（50度倾角）和低轨宽带卫星互联网星座“千帆”任务（89度倾角），所以如果不引入偏航机动，至少需要两个着陆点才能解决问题。其次，距酒泉600公里，坡度41.6至50度，恰巧位于宁夏吴忠人口密集区。不过，由于不锈钢罐具有超强的耐热性，砂矿合理登陆的地点很可能是在宁夏交汇处附近。和陕西省。火箭将穿过吴忠市人口密集区后着陆。但2024年6月30日的碰撞试验事故之后，新的要求可能会阻止火箭穿越大量人口稠密地区以确保安全，因此需要将着陆点的范围向内调整。蓝箭航天已正式选定2025年6月前，位于甘肃省武威市明清县东南侧的沙漠作为第三朱克回收设施的建设地点，距离苏武市38公里。该回收地点距离发射场仅390公里。如果级之间的关系不改变，第一级可能需要额外的制动释放或采取非常陡峭的路径，这可能会产生过多的再入热通量并需要更长的再入行程。蓝箭为朱雀三号增加侧翼，提高滑翔能力，延迟再入过载，提高可控滑翔能力的影响，但影响仍然存在。事实上，根据天气情况，朱雀三号火箭首飞第一功率级的时间仅需129至134秒之间，远小于猎鹰9号的155秒以上，而且其弹道会更陡，峰值可达130多公里（猎鹰9号仅为105公里）。由于第一级的射程有限，火箭可能无法充分发挥其潜力，其有效载荷能力也可能不是最佳的。即使真的减少第一级，增加第二级，整体性能偏差也太大了。第二级降低了快速任务的性能并增加了第二级的成本。不过Argo、Blue Arrow表示，未来将继续使用Minchin回收场，是否会做出任何配置决策还有待观察。 蓝箭明钦着陆点 无论如何，这次飞行的成功超出了一些预期。火箭也幸存ve再入和着陆点火尝试。第二级在两次燃烧后进入预定轨道。总体而言，这是中国火箭再利用的一个里程碑。蓝箭计划于近期进行第二次飞行测试，看看能否返回。但在朱雀三号遥二号任务之前，不远处的另一枚火箭也将再次进行尝试。 本文为观察者网独家报道。文章内容纯属作者个人观点，不代表平台观点。未经许可不得转载。如果抄袭，将承担法律责任。微信关注uanchacn观察者网，每天阅读有趣的文章。
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