科技日报记者华凌通讯员李啸
朱雀三号可重复使用垂直起降回收验证火箭在酒泉卫星发射中心圆满完成试验任务。受访单位供图
在酒泉卫星发射中心，戈壁滩的风沙见证着无数航天人的汗水与欢呼，记录着中国航天一步一步向前的点滴。日前，蓝箭航天空间科技股份有限公司（以下简称蓝箭航天）自主研发的朱雀三号可重复使用垂直起降回收验证火箭（以下简称试验箭）在这里点火升空。1分钟后，火箭从三百多米的高空垂直返回，着陆平稳，落点准确，状态良好，国内起飞规模最大垂直起降试验箭试验成功。
沉淀积累可复用火箭研制经验
“如果说可复用火箭的研制是一段长跑，那么对蓝箭航天来说，研制一子级垂直回收试验箭就是我们迈出的第一步。”朱雀三号可复用火箭型号副总师董锴说。
2023年12月，蓝箭航天朱雀二号遥三液氧甲烷运载火箭在酒泉发射中心圆满完成发射任务，将三颗商业卫星顺利送入预定轨道。朱雀二号成为全球首款连续、稳定发射成功的液氧甲烷运载火箭。当天，蓝箭航天正式发布了下一代可重复使用液氧甲烷运载火箭——朱雀三号。
“朱雀三号的动力系统采用我们自主研制的天鹊系列液氧甲烷发动机。其中，一子级配备9台海平面推力1000kN的天鹊12B发动机，一子级设计复用次数不少于20次……”在蓝箭航天创始人兼董事长张昌武的介绍下，朱雀三号的“模样”逐渐清晰，并正式进入公众视线。其实，对于蓝箭航天来说，在大型液氧甲烷可重复使用火箭这条道路上，他们早已踏上征程。
2021年底，在外界眼中，蓝箭航天将全部的精力放在朱雀二号的首飞上。但就在这时，董锴接到一个新任务，即开始一子级垂直回收试验箭的研制。董锴回忆道：“试验箭的研制可以被看做蓝箭航天在复用火箭技术工程探索上迈出的关键一步。”
对这样一个具有探索创新性质的项目，蓝箭航天管理层在明确预期目标和预算范围后，给予了研制团队极高的设计自由权限和试错空间。这个项目也一定程度上为日后朱雀三号的研制提供了经验。
“从一开始，试验箭的定位就是跨过小吨位的原理样机，直接采用与最终入轨箭一样的全尺寸大推力发动机进行火箭垂直返回关键技术的验证。事实上，只有通过这种方式取得的验证结论，才具有实际的工程应用价值。而彼时的蓝箭航天得益于朱雀二号研制的积累，已经具备扎实的技术基础。80吨级的天鹊液氧甲烷发动机已经完成多次地面试车考核，酒泉自建的发射场系统也已竣工并全面投入使用。”董锴说。
多项创新技术护航试验任务
相较于以往火箭的点火、上升，试验箭需要多完成一个环节——平稳落地。
蓝箭航天火箭研发部控制仿真工程部总监钟友武说：“顺利落地需要考虑到很多方面的问题，包括控制返回过程中燃料的消耗量尽可能少，并控制火箭在落地瞬间的飞行速度、高度和姿态的精度同时满足平稳着陆的要求。这些都是试验箭需要验证的关键技术。”
对于商业航天企业来说，成本可控是火箭高频次发射的基本要求。在控制成本的同时，保证技术方案的可靠性也是试验箭的主攻方向。在箭体结构材料选择上，团队经过多次讨论，最终选择了国内火箭领域尚未涉足的不锈钢材料。
钟友武介绍：“不锈钢是我们生活中常见的材料，具有高强度、耐高温、抗腐蚀的特性。不锈钢的广泛使用代表了箭体结构材料的工艺体系更为成熟、配套成本更为低廉，能够有效解决火箭结构的产能问题，从而进行更高效率的迭代。相比传统箭体结构材料铝合金，不锈钢箭体结构可以大幅降低火箭的制造成本，缩短生产周期。耐高温的特性使它在火箭多次返回、重复使用上具有突出的优势。”
团队立足多年的技术积累，针对可复用火箭需求，开展了多项创新。据介绍，在已实现朱雀二号火箭连续成功入轨验证的天鹊12发动机基础上，试验箭发动机增加了多次起动和深度变推功能，并进一步提升了推力和可靠性；采用具备两级缓冲功能的着陆支腿设计，满足朱雀三号可重复使用一子级40吨级着陆质量的缓冲需求；采用低空制导、调推控制和软着陆关机策略，可精准控制火箭飞行速度和高度以达到软着陆要求。
此次试验任务的圆满完成，验证了蓝箭航天可重复使用液氧甲烷火箭一子级垂直回收总体方案的正确性，大范围变推力液氧甲烷动力系统方案，火箭控制系统与发动机调推特性的匹配性。此外，这次任务同时验证了火箭着陆段制导与控制方案的正确性，火箭软着陆缓冲机构工作性能，以及可重复使用火箭测发、回收和后处理流程的正确性。
在这次试验任务中，研究人员还获取了朱雀三号可重复使用液氧甲烷火箭关键技术的核心试验数据。这些都为后续关键技术验证、实现火箭可重复使用，积累了宝贵的经验。
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