按日配资炒股流纹岩: 朱雀三号成功入轨, 中国离重复使用火箭时代还有多远?

[文/观察者专栏作者流纹岩]按日配资炒股

12月3日，朱雀三号大型两级重复使用液氧甲烷运载火箭从酒泉卫星发射中心LC-96B发射工位发射升空。火箭于北京时间12:00点火起飞，经历一二级分离，整流罩分离，二级二次点火，最终成功将模拟载荷送入预定轨道。

火箭第一级则在甘肃省武威市民勤县附近的陆上回收场进行了着陆尝试，成功完成格栅舵展开，再入点火开机和关机并坚持到着陆点火前。但着陆点火开始约3秒后就发生发动机失效，并引发尾舱火灾，导致火箭最终坠落于距离场坪中心点67.2米附近的地面上，未能实现一级回收。

朱雀三号遥一首飞

从朱雀二号到朱雀三号

蓝箭航天成立于2015年，以国家战略为指引，以市场需求为导向，致力于研制以液氧甲烷作为推进剂的中大型运载火箭系列产品，为全球市场提供高性价比、高可靠性的发射服务。蓝箭航天的朱雀二号液氧甲烷运载火箭项目于2017年9月立项；2018年12月启动方案阶段研制工作。

以液氧甲烷为推进剂的朱雀二号运载火箭为两级构型，箭体直径3.35米，全箭高度49.5米，起飞重量219吨，起飞推力268吨。整流罩最大直径3.35米，全长8.237米。火箭第一级采用4台天鹊-12型80吨级液氧甲烷发动机并联，第二级采用1台天鹊-12型80吨级液氧甲烷发动机和1台天鹊-11型10吨级游动液氧甲烷发动机组合而成。

2023年7月12日，朱雀二号遥二火箭在酒泉卫星发射中心执行复飞任务，火箭工作正常，顺利完成了预定飞行计划、将模拟载荷送入轨道。在此次首飞成功后，朱雀二号火箭成为全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭，蓝箭航天成为世界第九家、中国第四家实现火箭入轨的民营公司，标志着我国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得突破。

在朱雀二号遥二火箭成功入轨的5个月后，朱雀二号遥三火箭于2023年12月9日在酒泉卫星发射中心成功发射，将鸿鹄卫星、天仪33卫星及鸿鹄二号卫星送入460千米太阳同步轨道，该型火箭成功执行一箭多星商业发射任务，代表蓝箭航天在商业化运营能力建设方面取得了稳步进展。

本次“一箭三星”商业发射任务胜利收官，标志着朱雀二号作为全球首款连续发射成功的液氧甲烷运载火箭，其技术状态成熟度和稳定性得到进一步验证，可靠性达到商业化发射交付要求。蓝箭航天也成为国内民商航天中最早实现中大型液体运载火箭连续发射成功的企业，率先开启了国内主流液体火箭规模化商业发射的新阶段。

至此，蓝箭航天作为国内唯一依靠自主研制的液氧甲烷发动机实现火箭连续入轨的企业，凭借三发试验箭充分验证了朱雀二号的总体及各分系统方案的正确性、协调性，为火箭和发动机产品的后续设计改进和可靠性提升积累了飞行子样和良好的数据基础，为朱雀三号可重复使用液氧甲烷运载火箭的研制打下了坚实基础。

经过朱雀二号火箭、VTVL-1试验箭和朱雀二号改进型火箭研制与发射的技术积累，蓝箭航天推出了朱雀三号可重复使用液氧甲烷运载火箭，箭体直径4.5米，整流罩直径5.2米，全箭总长76.6米，起飞质量约660吨，起飞推力约900吨，低轨运载能力达21.3吨。箭体整箭配备了4组可展收式栅格舵作为气动操纵面，用于第一级气动减速段的姿态调整与落点控制；尾部安装着陆腿，实现第一级回收时的垂直着陆。

进入2024年后，朱雀三号采用的天鹊-12B发动机开发似乎遇到了一些问题。从2023年底开始，蓝箭航天就计划使用朱雀二号E火箭上的发动机并将其增加推力至80吨，为首飞的朱雀三号运载火箭提供动力，用一个“削减型”朱雀三号运载火箭执行首飞任务。“削减型”朱雀三号的起飞质量为570吨，一次性发射近地轨道运载能力11.8吨，回收运力指标8吨。

朱雀三号遥一火箭的尾部

朱雀三号是中国首款不锈钢液体运载火箭，其贮箱结构采用高强度不锈钢材料，其材料选型、结构形式、焊接工艺与生产设备方面，均在国内具有高度的原创性。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，耐高温的性能在火箭多次返回、重复使用上具备明显优势。

另外，基于液氧甲烷成本低廉，甲烷发动机不积碳、易维护的特质和可全生命周期监测的属性，朱雀三号火箭第一级发动机在火箭回收后理论上可实现不下箭检查，加注完成即可再次飞行，实现真正的航班化运营，发射成本相较一次性使用火箭可降低80-90%。

朱雀三号发射升空

虽然朱雀三号首飞的成功，证明了该火箭具备将有效载荷送入地球轨道的能力，但该型火箭的首飞运力其实严重低于预期。除了首飞本身就很保守以及严格的落区限制外，火箭本身仍然存在一系列问题，最明显的还是超重。

虽然这是国内首次使用不锈钢建造火箭贮箱，其具体的性能验证还有待确认，但存在不锈钢贮箱超重问题的并不只有蓝箭，隔壁星舰在将不锈钢低温强化至1300-1400MPa时仍然不够，其v2版只有35吨运力（半人马座的液氮冷轧强化工艺可以让不锈钢的强度提高到2200MPa，但其造价极其昂贵，且对温度变化非常敏感，可能不适合用于重复使用火箭）。而蓝箭在朱雀三号的削减版上更换了一部分铝合金结构来缓解这个问题，并且后续还将继续修改贮箱设计以减轻质量。但我们尚不能确定它什么时候能够达到计划的运力水平。

成为可回收火箭

火箭重复使用，首先需要能够“落得回来”。这意味着火箭第一级在分离后需要完成调姿、再入点火和着陆等各个阶段。这对重复使用火箭的设计水平提出了非常高的要求，首先其搭载的发动机必须具备多次起动能力，且必须在再入过程中能够稳定可靠地启动。

例如美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰9号火箭在典型重复使用任务中，第一级关机分离后先进行姿态调整，随后在高空无动力滑行至110千米以下、再入大气层，在70千米高度进行再入点火（REB），将进入动压降低后借助空气减速，最后在3千至4千米高度、减速至亚音速时进行最终着陆点火（FLB）。如果需要让第一级火箭进行返场回收，还需要在第一级分离后进行被称为“返回发射场点火”（BBB）的快速掉头点火。

而重复使用运载火箭最大的难点在于其第一级火箭返回飞行过程中的推进剂管理。运载火箭发动机贮箱内时刻存在着由推进剂组成的液体部分和用于进行增压的气体部分（气枕），而位于贮箱底部的发动机入口管路需要确保只有液体流入，如果混入气体（夹气）会导致发动机高速旋转的涡轮泵被破坏，因此需要确保发动机入口不夹气，这就需要进行推进剂管理。

在重复使用飞行任务中，第一级一次关机至二次启动期间火箭基本在微重力下飞行，推进剂将完全“放飞自我”，在推进剂贮箱中飘荡，如果发动机直接点火，势必出现夹气，可能导致贮箱内推进剂异常燃烧并引发爆炸。

以蓝色起源公司新格伦火箭首飞为例，其采用3台发动机同时点火的策略，但因为入口压力不足使得发动机进入了一种特殊的气液平衡状态，泵中充满了气液混合物，从而导致发动机无法可靠点火，最终第一级火箭被动压撕碎。而在第二次飞行中，蓝色起源增加了增压输送装置提供的入口压力使得3台发动机顺利点火，支持新格伦火箭成功在回收船上降落。

朱雀三号一级坠落在着陆场上

保守来说，这些问题需要在火箭第一级推进剂贮箱内设置一个装置，以确保二次点火前有足够的推进剂能流入发动机使其正常点火。在较小的上面级一般会设置由不锈钢网和隔板等组成的表面张力蓄液结构以实现推进剂晃动的抑制，这种设计被称为“全管理贮箱”。但由于第一级火箭的尺寸巨大，如果在其中全部安装各种表面张力蓄液金属网/隔板结构，所付出的质量代价将不可想象。

因此可以通过设置恰到好处的一些小型装置（猎鹰9号第一级甚至根本没有管理装置）来确保能在发动机入口留存一定推进剂，以实现“四两拨千斤”的效果。同时，在主发动机点火前使用姿控发动机先进行一定减速，确保推进剂沉底。蓝箭航天在朱雀三号第一级上采用冷氮气姿控的方式，分为A/B两组姿控，每组姿控包括8个切向安装的姿态控制推力器和两个倾斜向下的沉底推力器，以提供基本的沉底控制，冷氮气安装在级间段内的12个气瓶中。

静态点火中的朱雀三号遥一火箭

着陆点火的问题则又有一些不同，再入点火前火箭基本在大气外和高空中大气极其稀薄的区域飞行，基本处于微重力环境，因此对再入点火的可靠推进剂沉底有特殊的要求。而最终着陆前火箭从约当地马赫数5减至小于1的亚音速段，在着陆前火箭会处于一个虽然不是很大但仍然很可观的负加速度环境中（约-0.4g），也就是使用气动阻力减速实现推进剂沉底。但由于此阶段运载火箭需要通过格栅舵调整姿态，且贮箱内只有很少的一点推进剂，在火箭晃动的时候更容易晃荡飞溅，导致发动机入口产生夹气并诱使发动机破坏解体。

对重复使用火箭飞行的低液位推进剂管理虽然可以部分依靠计算流体力学进行适当模拟，但所需计算的量太大且可能不够精确，落塔试验价格高昂且时间不长，因此采用实际测试仍然是必不可少的。蓝箭此前也进行了大量的仿真测试，但具体仍然要靠飞行来验证。

此外，重复使用火箭还有大量挑战，包括火箭再入点火过程中的防热问题。猎鹰9号最初使用的柔性防火布在再入过程中被气动压力撕碎，导致高温气流灌入尾舱并引发失效，后续改为了硬质隔板。而朱雀三号目前看来采用的是高密度硅基柔性编织材料，这种材料能否挺过再入可能还需要由实践证明。

还有老生常谈的凸优化控制算法问题，相比于嫦娥三号或是蓝色起源的那种悬停－着陆，猎鹰9号采用直接一次着陆的方案，发动机关机时火箭恰好触地完成着陆，可以在节省大量燃料的同时不需要发动机具有深度节流能力，但控制难度较大。朱雀三号也采用了凸优化算法以引导火箭精确着陆，其再入点火会启动5台发动机，并且完成了再入点火过程，着陆点火则先启动5台发动机，执行11秒后再关闭外侧4台，最终依靠中心发动机落地。

而足够运力则是重复使用火箭从“能用”到“好用”的关键一环。猎鹰9号的成功不在于它能够回收，而是它每次飞行都可以在运送18.2吨载荷进入近地轨道的同时还能回收第一级，单次飞行的边际成本仅为1500万美元，其足够高的运载能力带来的低单位成本赋予其强大的竞争力。因此，如果想要我们的重复使用火箭足够好用，那它就得有足够的运载能力。提高运载能力不外乎增推、增比冲和减重，相比于前两者主要是动力系统的任务，我们主要聊聊后者。

猎鹰9号得益于其超轻的2195铝锂合金贮箱和极其简化的结构实现了第一级20，第二级29的干质比，同时搭配在燃气发生器循环中超高比冲的发动机实现了极高的运力。而朱雀三号采用蒙皮－肋条激光焊接工艺的301不锈钢贮箱而非传统铝合金贮箱的铣削壁板+搅拌摩擦焊，这确实有效地降低了成本，但质量也有所增加。因此，朱雀三号等不锈钢火箭采用了一种此前国内火箭上几乎没有出现过的设计，而国外也只有较为新型的重复使用火箭有所使用，如超重助推和新格伦火箭。

朱雀三号一级火箭转场

众所周知，对于传统的一次性火箭来说，肯定希望尽可能地减小转动惯量以减少控制系统的压力，因此对于一级火箭，一般都是将更重的氧化剂放在更高处接近火箭质心的位置以减小转动惯量。大部分传统火箭都是如此。但到了超重助推和朱雀三号这种不锈钢火箭上，则发生了变化：这两款火箭均将更重的液氧放在底部，而将更轻的甲烷放在了上侧。原因也很简单：放在上面更重的氧化剂的过载将通过燃烧剂贮箱传递至发动机推力架，而氧化剂比燃烧剂重很多，燃烧剂贮箱就需要额外增加大量质量以承受液氧的惯性力。

而将液氧放在下部允许液氧的惯性力通过箱底直接传递至发动机上，减小了质量。但代价就是力臂加长，控制难度增加。朱雀三号的燃烧剂贮箱均为薄壁光筒，而氧化剂贮箱为内加筋条贮箱（可以在照片上看到间断焊的痕迹），和v1版的超重-星舰系统类似。如今的不锈钢贮箱火箭或多或少都存在超重的问题，必须通过一些设计上的细节来尽可能减重。

此外，由中国航空工业集团成都飞机设计研究所研制的昊龙一号货运航天飞机也将由朱雀三号火箭搭载发射。昊龙一号货运航天飞机是为了进一步降低中国空间站货物运输成本，由中国航空工业集团成都所自主设计研制的一型带翼可重复使用商业航天飞行器，用于开展低成本的空间站货物运输任务。而执行中国空间站货运任务对朱雀三号提出了不低于7吨且第二级偏航约10度的需求，也对该型火箭的实际运力提出了更高（很可能就是一级回收8吨运力指标）的要求。

预计随着2027年100吨推力的天鹊-12B发动机研制成功，蓝箭还将基于天鹊-12B和具有巨大130面积比铌钨合金喷管的天鹊-15B实现具有20吨以上运载能力的朱雀三号完全体的飞行，并用于支持各类低轨卫星互联网任务。