深蓝航天星云M试验箭完成公里级VTVL垂直回收飞行试验

　　2022年5月6日，深蓝航天自主研发的星云M试验箭完成了1公里垂直起飞及降落飞行试验，此次飞行任务的完成宣告了深蓝航天在中国可回收复用火箭历史上又攀登上了新的高度，离成功实现入轨及回收又迈进了坚实一步。
　　这一次试验距上一次百米级VTVL垂直回收飞行试验仅过去了半年时间，为何商业火箭公司深蓝航天如此专注实现中国运载火箭可回收复用的目标？
　　在这个商业航天迅猛发展的时代，遥望大洋彼岸所向披靡的SpaceX，再仰望头顶深蓝色的无尽天空，表面风平浪静实则暗流涌动。大航天时代空间资源的抢夺、火箭作为空间往返运输工具的先进性和火箭商业用途多维场景的需求，可回收复用火箭的必要性与紧迫性可见一斑。
　　图示：星云M公里级VTVL垂直回收飞行试验
　　01hr现状：
　　中国商业航天迫切需要
　　可重复运载火箭
　　2021年12月3日，中国常驻维也纳联合国和其他国际组织代表团向联合国秘书长致以普通照会，通报了美国太空探索技术公司（SpaceX公司）发射的星链卫星于2021年先后两次接近中国空间站，对中国空间站的安全运行以及中国航天员的生命健康构成严重威胁。出于安全考虑，中国空间站分别于7月1日和10月21日实施对美国星链卫星的预防性碰撞规避控制（紧急避碰）。
　　图示：SpaceX已经部署完成的第一期星链计划：1584颗星链卫星被放置在72个轨道平面中，每个轨道平面由22颗卫星组成（图源：Lamid58）
　　马斯克设想的星链星座计划十分疯狂，他将会在一期部署1。2万颗、每颗重约300公斤的星链卫星，远期甚至还要达到4。2万颗星链计划的意义不仅在于实现太空互联网通信，更是提前抢占了仅存的近地轨道资源。反观中国，我们目前还没有能力规划如此庞大的卫星星座，更不必说发射组网了。
　　图示：发射前星链卫星（图源网络）
　　国内未来的商业火箭，都面对着发射频率提高和发射成本降低的需要。商业可回收复用火箭，在全球都具有可预见的巨大需求，这就是深蓝航天全力以赴的唯一目标。
　　图示：星云M公里级VTVL垂直回收飞行试验
　　为了实现这一目标，深蓝航天在这一方向全力以赴，已经连续三次成功完成了十米级、百米级和公里级可回收试验，这是国内目前运载火箭领域唯一有工程意义的VTVL垂直回收飞行试验，使深蓝航天成为目前全球除美国以外研发回收复用火箭速度最快的中国商业航天公司。
　　02hr破局：
　　降低火箭发射成本成为关键
　　图示：星云M公里级VTVL垂直回收飞行试验
　　只有降低成本，才能更游刃有余地实现成千上万颗星链卫星的组网任务，未来大型卫星星座的发射需求与可回收火箭的运载能力是相辅相成的。
　　2017年3月31日，SpaceX使用一枚二手猎鹰9号运载火箭成功发射了一颗卢森堡的商业通信卫星。本次任务是人类航天史上的一个里程碑第一次使用同一枚火箭两度执行发射任务。
　　掌握这一技术后SpaceX势如破竹，截至2022年5月初，SpaceX已经成功进行了118次火箭着陆，并接连打破自己创造的回收记录：B1051号助推器在2022年3月19日成功发射48颗星链卫星并返回，成为首枚被回收12次的火箭助推器。B1060号助推器保持了最快周转时间的记录，在2022年4月8成功发射奋进号载人飞船Axiom1任务后，于短短21天后的2021年4月29日再度上天，并成功发射53颗星链卫星。
　　图示：左：刚刚起飞的猎鹰9号
　　右：正在着陆中的猎鹰9号一级助推器
　　（图源网络）
　　可回收复用带来的经济效益是惊人的。SpaceX目前已经可以做到火箭一级助推器和整流罩的回收复用，据马斯克本人的说法，全箭复用比例达到了80。这相当于在发射时只需支出火箭一级维护、火箭二级制造以及燃料的成本。
　　SpaceX并未公开其回收技术的具体成本细节。但2020年4月美国消费者新闻与商业频道（CNBC）报道称美国空军某航天任务的预算为9500万美元，而SpaceX执行官克里斯托弗库鲁里斯对此表示，发射任务只需要2800万美元。据此我们可以推算可回收火箭将航天发射成本足足降低了至少70。这一数值对航天界带来的冲击是巨大的。俄罗斯航天局局长罗戈津在2020年4月表示，他们不得不将俄罗斯火箭的商业发射报价降低30，以应对SpaceX价格倾销的冲击。
　　图示：SpaceX与深蓝航天公里级VTVL垂直回收飞行试验对比图
　　反观深蓝航天的本次飞行测试，从十米级、百米级直到本次的公里级VTVL垂直回收飞行试验，使用的均是星云M同一枚试验箭，初步验证了火箭回收复用技术，并摸索出一条具有深蓝航天特色的液体火箭研制全要素流程。这为飞行试验带来的成本降低已经十分可观：在全箭垂直回收技术应用的前提下，再次执行飞行任务的成本仅为箭体生产制造成本的约1，其中包括一些损耗件的更换、全箭的测试维护费用、推进剂费用等。
　　那么，为了实现火箭回收复用以降低成本，技术难点是什么？总结来看，应当实现两个核心技术突破，才可能做到火箭的可回收复用，一是可以在较大范围内灵活调节推力的发动机技术，二是返回着陆的横向制导控制技术。而本次深蓝航天公里级VTVL垂直回收飞行试验的成功，标志着深蓝航天已经初步掌握了这两个核心技术。
　　03hr胜出：
　　推力可调节发动机
　　与横向制导控制技术
　　在20122013年间，SpaceX为了突破火箭回收复用技术特别设计了Grasshopper（蚱蜢）这一款小火箭，主要目标是验证配备的梅林1D发动机的推力调节性能，以及火箭横向制导技术。
　　图示：SpaceX蚱蜢火箭325米VTVL垂直回收试验（图源网络）
　　如下图所示，Grasshopper总共进行了8次飞行测试。在2012年9月21日的第1次测试中，Grasshopper仅仅跳起了1。8米，同年11月1日的第2次测试跳起5。4米。半年后2013年3月7日的第4次测试跳起了80米，在2013年10月下旬的第8次测试跳起最高高度达到了774米。这8次试验为SpaceX积累了大量宝贵的数据与经验。
　　值得注意的是，深蓝航天星云M试验箭的飞行测试与Grasshopper的飞行测试目标极为接近，甚至表现得更加出色。
　　在2021年7月的首飞便漂亮地完成十米级飞行试验，短短三个月后的10月13日飞起103。2米，而在10个月后的今天，星云M试验箭最大飞行高度近1公里，深蓝航天以不到一年内的三次飞行任务，达到了SpaceX在一年多时间里总计八次任务才达到的技术水平，进度令人惊喜。
　　图示：深蓝航天与SpaceX技术突破历程对比图
　　从深蓝航天的角度看，相比百米级VTVL垂直回收飞行试验，公里级VTVL垂直回收飞行试验时发动机的单次点火工作时间与入轨火箭单级发动机的工作时间相当，且与地面试车状态不同，此次是在真实飞行环境中去考核发动机大范围变推和长程工作的稳定性，这在工程研制中更具有真实性和实际考核意义。
　　SpaceX的梅林1D发动机在前期试验可以实现70100的推力调节范围，而深蓝航天的星云M试验箭所使用的雷霆5泵压式液氧煤油发动机通过调节氧化剂和燃料泵转速可实现50100推力调节。此外，雷霆系列发动机使用和梅林1D发动机相同的针栓式喷注器技术，具有独特的回收技术优势，可以在调节推力的过程中抑制不稳定燃烧，减少振动，以实现平稳的推力调节功能。
　　图示：深蓝航天与SpaceX技术突破历程对比图
　　还值得注意的一点是深蓝航天在本次公里级VTVL垂直回收飞行试验中成功验证了横向制导算法。在垂直起飞垂直着陆的飞行过程中，加入横向制导算法，预先装订目标点坐标，通过箭上计算机进行计算和规划，发出横向制导指令，导引火箭向目标坐标进行横移，开展火箭异地返场回收技术验证，为以后入轨火箭的异地返场回收复用甚至洲际旅行等进行先期技术验证。
　　图示：星云M公里级VTVL垂直回收飞行试验
　　此次公里级VTVL垂直回收飞行试验中，飞行速度达到0。2Ma，飞行高度近1公里，这是目前国内开展的飞行高度最高，飞行速度最快，飞行时间最长的垂直回收飞行试验。
　　通过此次飞行试验，进一步验证了火箭垂直回收过程中的箭体空气动力学问题、以及长时间的力热及振动环境适应性、发动机长时间和大范围的变推工作能力、可重复使用箭体结构及着陆缓冲装置、横向制导及姿态控制能力等关键核心技术，为后续开展10公里级垂直回收和入轨级回收打下了坚实基础。
　　04hr远景：
　　全力奔赴可回收复用的
　　火箭入轨之路
　　SpaceX在这八次飞行试验后又设计了更大尺寸的猎鹰9号R测试版本火箭，进行更大规模的公里级VTVL悬停与着陆测试，并先后在2015年12月21日、2016年4月8日成功实现猎鹰9号芯一级在陆地与海上驳船的回收降落，此时距离蚱蜢火箭跃起1。8米，只过去了三年多时间。SpaceX以一个个惊天雷般的成就打破了火箭不能垂直回收使用的局限，SpaceX的估值从9。7亿美金，指数增长到了120亿美金，实现了12倍的增长。
　　图示：深蓝航天与SpaceX的发展历程对比图（2015年12月21日实现首次入轨回收）
　　深蓝航天本次公里级VTVL垂直回收试验飞行的完成，也宣告了低空回收阶段画上了圆满的句号，星云M试验火箭圆满完成了其历史使命。
　　下一阶段，深蓝航天将采用与入轨火箭完全相同的全尺寸试验火箭，继续进行高空回收试验阶段（类似于SpaceX第二阶段采用全尺寸样机猎鹰9号R进行回收测试），向着10km、100km的高度快速突破迈进，最终实现入轨火箭一子级的可控回收和重复使用。深蓝航天目前的技术水平相当于SpaceX在2014年初的水平。若一切能够按照规划进行，深蓝航天将会在2024年年底之前完成星云1运载火箭的第一次入轨发射回收任务，正式拉开中国可回收运载火箭商业化运行的大幕。
　　图示：星云M箭回收完成后试验队合影
　　深蓝航天CEO霍亮表示：深蓝航天的使命即实现中国运载火箭的可回收复用，大幅度降低每公斤载荷的入轨成本，成为太空运输产业的有力推动者。通过本次的公里级VTVL垂直回收飞行试验，深蓝向这个目标又迈出了重要的一步。
　　文章转自：深蓝航天