原标题：星际穿梭：可回收火箭奇幻之旅
6月23日，我国在酒泉卫星发射中心完成重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验。胡蓝月摄
太空，浩瀚无垠。
从嫦娥奔月的传说，到莱特兄弟的第一次飞行，再到第一颗卫星翱翔太空，人类一直都在追寻着飞天的梦想。
随着科技的发展，渐渐地，人类有机会从仰望星空发展到探索宇宙，到太空中进行各项航天活动。
为了降低航天成本，各国科研人员积极探索，开创了可重复使用运载火箭这一领域。随后，可重复使用技术渐渐成为各国竞相追逐的技术热点。
前不久，我国在酒泉卫星发射中心完成重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验，试验任务取得圆满成功。这是目前国内重复使用运载火箭最大规模的垂直起降飞行试验，也是国内自主研制的深度变推液氧甲烷发动机在10公里级返回飞行中的首次应用，意义重大。
那么，什么是可重复运载火箭？其技术难点在哪里？未来的应用前景如何？请看本期解读。
运载火箭中的“环保款”
如今，火箭也推出了“环保款”——可重复使用运载火箭。
可重复使用运载火箭，是指从地面起飞、完成预定发射任务后，全部或部分返回并安全着陆，经过检修、维护与燃料加注，可再次执行发射任务的火箭。
早在1962年，钱学森就在《星际航行概论》中明确提出了“回收运载火箭”的设想。他在书中写道，在星际航行的初始试验阶段，运载火箭的飞行次数比较少，对于未来频繁的发射来说，一次性的运载火箭就是浪费，所以我们应该想办法把空的运载火箭收回来。
自20世纪50年代至今，世界航天科技迅速发展，已经进入了以大规模互联网星座、太空资源开发与利用、载人月球探测和大规模深空探测等为代表的新阶段。随着人类进出空间需求的快速增长，作为人类进入空间的主要运输方式，一次性运载火箭在发射成本、履约周期和产能需求等方面均面临巨大挑战，而发展可重复使用运载火箭能够很好地解决以上问题，渐渐成为全球航天领域的共识。
相对于一次性使用运载火箭而言，可重复使用运载火箭的优点显著。由于可以多次发射，可重复使用运载火箭大大降低了运载火箭的生产与发射成本，有效提升了航天活动的灵活性和响应速度。
提起可重复使用运载火箭，就不得不提到其背后的重要基础技术之一——火箭垂直起降技术。
借助火箭垂直起降技术，运载火箭可以在起飞和着陆过程中，通过控制气体的喷射方向和火箭的姿态，实现航天器的垂直上升和下降，在发射后返回并安全着陆，从而达到重复使用的目的。
据悉，火箭垂直起降技术主要利用牛顿第三定律，即作用力和反作用力原理。通过向下喷射气体，火箭能够产生向上的反作用力，实现垂直上升。当火箭到达预定高度后，随着气体喷射方向发生变化，火箭开始向前飞行。在返回过程中，运载火箭再次调整姿态和喷气方向，实现垂直下降并安全着陆。
目前，不少国家已经在这项技术领域发力，并取得了一定成绩。
美国太空探索公司（SpaceX）的“猎鹰-9”火箭已经成功应用了火箭垂直起降技术，实现了火箭的第一级回收并重复使用，极大提升了人类进入空间能力，有效降低了发射成本。
俄罗斯国家航天集团公司负责人在2023年对外公布，将在2024年重启“叶尼塞”重型火箭研制工作，并强调该火箭将具备重复使用能力。
今年6月，我国在酒泉卫星发射中心完成可重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验，试验任务取得圆满成功。这是目前国内重复使用运载火箭最大规模的垂直起降飞行试验，也是国内自主研制的深度变推液氧甲烷发动机在10公里级返回飞行中的首次应用，为2025年如期实现4米级重复使用运载火箭首飞奠定了技术基础。
“起得来、控得准、展得开、落得稳”
6月23日下午1时许，酒泉卫星发射中心。直径长3.8米的重复使用运载火箭新技术验证箭竖立在场坪发射台上，随着3台变推液氧甲烷发动机点火，试验火箭喷出蓝色尾焰，缓缓升空。
紧接着，火箭上升至距地面约12公里高度时，中心发动机调节推力，火箭受控下降，在距离地面50米处，4条着陆腿展开，随后火箭缓速下降，高度趋近于零，稳稳落在回收场坪，实现定点垂直软着陆。
整个试验全程用时6分钟左右，火箭经历了加速上升、减速上升、加速下降、减速下降、缓速下降5个阶段，最终实现了“起得来、控得准、展得开、落得稳”。
事实上，研制可重复使用运载火箭，有许多技术难点需要克服。
发动机，被誉为火箭的心脏，是火箭的动力之源。研制可重复使用运载火箭的前提，首先要研制出能够重复使用的发动机。
液氧甲烷发动机通过燃烧液态氧和甲烷产生推力，燃烧产物主要是二氧化碳和水，且维护成本相对较低，有利于发动机的重复使用。
这些特点使得液氧甲烷发动机成为可重复使用运载火箭的理想动力选择。随着液氧甲烷发动机技术的不断成熟和应用，可重复使用运载火箭的发射成本将进一步降低，发射效率将得到提升，从而为未来的太空探索、卫星发射等任务提供更加经济、高效的解决方案。
例如，我国自主研发的某系列可重复使用垂直起降回收验证火箭，就采用了自主研制的液氧甲烷发动机作为动力源。该发动机的成功应用，不仅验证了液氧甲烷发动机在可重复使用运载火箭中的可行性，也为我国可重复使用运载火箭的未来发展奠定了基础。
此外，“高精度返回着陆”是可重复使用运载火箭的另一个技术难题。
这是因为，火箭在发射时需要克服地球引力，达到预定轨道。这一过程需要精确的导航和控制系统来确保火箭按照预定轨迹飞行。同时，在完成任务后，火箭需要返回地面，必须精准控制姿态和速度，确保能够安全降落。而解决这一难题的关键，是高精度导航制导控制技术以及复杂的算法和实时计算的能力。
航天科技集团控制系统团队在重复使用运载火箭前期悬停试验基础上，对控制系统进行了全面升级，能够满足高精度着陆控制需求。
垂直起降着陆缓冲技术是本次任务的又一关键技术。
航天科技集团相关科研人员告诉记者，为了让4条着陆腿稳稳支撑火箭降落到地面，他们借鉴了飞机起落架系统的成熟技术，同时根据力学环境、热流条件等飞行特点，进行了针对性的创新设计。据介绍，着陆缓冲系统是火箭软着陆的关键，4条着陆腿里的缓冲器可以吸收掉箭体着陆时的动能和势能，使火箭平稳着陆。该系统实现了国内首次“飞行锁定、空中展开、触地吸能”的技术验证，确保了火箭在复杂环境下的安全着陆。
“试验全面验证了3.8米直径箭体结构、大承载着陆缓冲技术、大推力强变推可复用发动机技术、双低温增压输送技术、返回着陆的高精度导航制导控制技术及健康监测技术，为2025年如期实现4米级重复使用运载火箭首飞奠定了技术基础。”相关科研人员向记者介绍。
据悉，本次试验飞行剖面的顶点为海拔约12公里的平流层。后续，研制团队将开展重复使用运载火箭70公里级垂直起降试验，基本覆盖火箭一子级飞行剖面，向着重复使用运载火箭首飞目标再迈进一大步。
未来可期，带动相关领域发展
国内外航天机构和企业对可重复使用运载火箭的态度，从质疑和观望转变为认同和跟随，进而使得重复使用运载火箭在世界范围内渐成大势所趋。
可重复使用运载火箭最直接的优势，是能大大降低太空探索的成本。这一优势，或将使未来的太空旅游不再遥不可及。
此外，作为航天技术的前沿课题，可重复使用运载火箭不仅是对现有运载火箭技术的深化与拓展，更是基于多年技术积累的一次飞跃性尝试，将在资源开发、科学研究等领域产生重要影响。
从长征系列运载火箭，到快舟系列、谷神星系列、双曲线系列等运载火箭，我国航天事业技术积累深厚，应用较为成熟。
通过不断的技术创新与实践，我们期望将主流运载火箭的成功经验转化为可重复使用运载火箭的实际应用，从而实现航天发射成本的显著降低、发射效率的大幅提升，以及航天资源更加合理的利用。比如，我国朱雀二号火箭成功将有效载荷送入指定轨道，在液氧甲烷火箭等关键技术上取得突破。
另外，可重复使用运载火箭也将有助于促进材料性能的提高。
比如，在往返地球时，运载火箭会经历极高的温度和剧烈的空气摩擦，这对热防护系统提出了严峻挑战。重返大气层时，火箭外壳需要承受数千摄氏度的高温。如果热防护系统设计不当，火箭的结构可能会因高温而损坏，无法回收。
这一现实需要，有助于促进热防护方面材料性能的提高。高分子聚酰亚胺泡沫材料能够在350℃的高温环境下长期稳定工作，有效阻隔热量传递，保护火箭内部设备。在这次重复使用火箭试验中，该材料被用于火箭头部和发动机周围的隔热层，确保了关键部位在高温环境下的正常运行。
未来，随着需求不断增加，天地往返将变得越来越频繁，组合动力单级入轨或天梯等新型运输方式也将变成现实，太空探索将变得更加便捷、经济。我国将持续积极推进可重复使用运载火箭的研制工作，提升航天运输系统综合性能，拓展便利进出空间能力，加速实现运载火箭升级换代，推动航天强国建设。（李欣媛王凌硕）
