近日，美国斯托克公司成功对可重复使用火箭上面级进行跳跃试验。在15秒的飞行测试过程中，火箭二级原型机Hopper2上升到大约9米的高度，随后着陆在距离发射台4.5米的地方。那么，什么是跳跃试验?这款火箭采用了哪些新颖设计?未来前景又将会如何呢?

跳跃试验不可小觑

跳跃试验即为垂直起飞着陆试验，其目的是证明在上升和下降过程中能够控制火箭，并使火箭进行软着陆的能力。这是一个非常困难的制导、导航和控制问题，尤其是对于斯托克公司所研发的火箭二级原型机的分布式推力器新系统而言。

火箭二级原型机升空瞬间

跳跃试验的意义是重大的，百米级、公里级的垂直回收飞行试验，可以验证发动机不同于地面试车时的状态，在真实飞行环境中去考核发动机工作的稳定性，跳跃试验在工程研制中更具有真实性和实际考核意义。同时，跳跃试验也可以验证横向制导算法：在试验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。这可以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。跳跃试验还可以进一步验证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，为开展后续阶段研究打造坚实基础。垂直起飞着陆技术路线目前已经成为绝对主流，世界上在研、在役和概念设计阶段共有28型可复用太空发射系统，其中有19型为垂直起降类型，占总数的68%。目前，斯托克公司是从筹集资金到展示跳跃试验技术最快的公司，已经成为世界上第二家试飞完全可重复使用火箭上面级原型的公司，也是美国第三家试飞液氢液氧火箭发动机的公司。本次试验标志着斯托克公司向开发完全可重复使用运载火箭迈出了重要一步。

新颖设计打造全复用火箭

众所周知，SpaceX公司已经使用猎鹰9火箭的垂直起降技术，展示了火箭一级的发射和回收，而斯托克公司创新性地提出要打造一款全复用火箭。针对火箭二级，该公司主要提出3点新颖设计。

从另一个角度看火箭二级原型机升空

一是全新的推进器设计。传统火箭二级一般采用单发动机结构，且发动机具有较大的钟罩形喷管，其结构目的是优化发动机排气在真空中的流动。但此结构设计的弊端是延伸喷管往往相当脆弱，使得火箭再入时，对发动机喷管的保护变得十分困难。而斯托克公司使用了由30个较小推进器组成的环来作为推进系统。在真空中，来自这些喷嘴的羽流合并为一个整体进行工作，在火箭再入过程中采用部分推力器点火，更容易保护喷管，并且该结构设计可以更好地满足垂直着陆的需要。二是尝试再生冷却隔热罩。火箭二级再入过程中，需要保护整个飞行器不受过热大气的影响，针对这个问题，斯托克公司表示“尝试再生冷却的隔热罩是最有意义的”。在火箭再入过程中，飞行器的韧性金属外层将内衬小空腔，使推进剂通过材料保持冷却。火箭二级在再入过程中就好像使用了再生冷却隔热屏的太空舱。三是全新的一级火箭发动机。斯托克公司表示，工程师已经着手为火箭一级研究开发全流量、分级燃烧的火箭发动机，其中7个发动机将为助推器提供动力。目前，针对这些引擎的组件测试已在进行中。但是，不同于一级复用回收，斯托克公司可全复用火箭的研制工作还有很长的路要走，目前来看，研制工作仍存在一系列技术难题。首先是如何确保二级火箭发动机在大气和真空两种不同环境中均能正常使用。该款火箭的两级将采用相同型号的液氢液氧发动机，但是二级火箭在发射阶段是在真空中工作，返回阶段进行反推时是在大气中工作，而喷管在这两种不同环境中工作时，火箭发动机的面积比(喷管出口与喉部面积比)是不同的，因此需要确保发动机在两种环境中均能正常使用。其次是火箭返回时如何消耗巨大的动能。二级火箭将有效载荷送入轨道后，将以第一宇宙速度返回地球，如何消耗如此大的动能，使几吨重的精密设备减速并安全着陆，是一个技术难题。斯托克公司计划采用弹道再入和动力着陆的方式回收二级火箭，但是这种方式需要携带足够的燃料，并且会增大二级火箭的体积和质量，从而影响火箭的运载能力，所以可行性有待论证。另外是如何保证重复使用条件下整流罩的密封性。二级火箭和整流罩再入大气层时，会发生严重的气动加热，如果火箭二级的密封性出现问题，再入时的高温对火箭的破坏性是巨大的，所以需要良好的热防护层对火箭进行保护。如何保证整流罩处接缝的密封性，并实现多次重复性使用，是斯托克公司有待进一步解决的问题。

商业航天的有力竞争者

斯托克公司的目标是设计和建造一枚100%可重复使用的火箭，火箭周转时间为24小时，可将最多7吨货物运送到近地轨道。该火箭计划于2025年首次试飞。

斯托克公司的全复用两级火箭想象图

斯托克公司所研制的火箭分为两级，一级火箭回收类似于猎鹰9火箭，二级火箭与整流罩连接在一起，入轨后整流罩像花瓣一样展开释放载荷，合拢后与二级火箭通过火箭反推着陆，实现全箭可重复使用。可重复使用的系统势必会更加复杂，并且相比于一次性发射，它需要携带更多燃料，以满足再入减速的需要，从而对运载能力有所影响。但如果此项技术发展成熟，斯托克公司将实现火箭一级、二级和整流罩全部重复使用，并将发射频率提高到每天1次，可以在低地轨道甚至更远的距离上，提供可重复使用火箭运载服务，降低发射成本，缩短发射周转周期。未来的商业火箭需要提高发射频率，降低发射成本，商业可回收复用火箭在全球都具有可预见的巨大需求。SpaceX公司的猎鹰9火箭作为目前唯一成功、成熟、经过大规模实际工程验证的可回收火箭，总计成功回收超过200次。从其发射数据来看，可回收复用火箭能带来巨大的经济效益。SpaceX公司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，猎鹰9火箭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，成本直接降低约70%。而对于斯托克公司计划打造的全复用火箭而言，其成本将仅包括定期保养以及燃料消耗费用。该款火箭可进一步降低载荷的入轨成本，成为太空运输产业的有力推动者和竞争者。