爲何重複使用火箭試驗，都選擇10公里這個高度？

（圖片來自網絡）

爲啥大家都選10公里，就是因爲這個數字好聽嗎？

近年來，重複使用火箭技術的發展成爲全球航天領域的熱門話題。尤其是在商業航天領域，各國公司都在爭相開發能夠垂直起降的可重複使用火箭。而在這一過程中，10公里高度似乎成爲了驗證可重複火箭技術的重要“門檻”。無論是美國的SpaceX，八院的驗證箭，還是朱雀三號的VTVL-1，10公里這個高度總是在測試中反覆出現。那麼，爲什麼選擇這個高度？它對於可重複火箭技術的驗證意味着什麼？翻過這個坎，前方真的就一片坦途了？今天，我們就花點時間專門聊聊它。

第一個需要回答的就是——10公里的高度，到底意味着什麼？其實，在火箭發射過程中，10公里這個高度並不是特別顯著的一個“里程碑”，它甚至還未突破大氣層，尚處於地球的對流層內。然而，對於可重複使用火箭來說，這卻是一個至關重要的高度。首先，10公里以下的大氣密度較大，空氣阻力強烈。在這樣的環境下，火箭在上升和下降過程中都將經歷巨大的壓力和空氣阻力 。這意味着火箭的姿態控制系統、穩定性控制系統、以及柵格舵等輔助設備都需要經受嚴峻考驗。此外，火箭在此高度還會經歷“最大動壓”，即空氣動力對火箭施加的最大壓力。這是火箭飛行過程中最爲複雜的階段之一，火箭需要在這個階段保持平穩，以避免結構受損或發生故障。其次，10公里是火箭在飛行過程中需要經歷超音速和亞音速狀態變化的高度 。對於可重複火箭來說，這也是一次驗證“跨音速”控制能力的機會。跨音速是指火箭從亞音速，即小於音速過渡到超音速超過音速的過程。在這個階段，氣流的變化會對火箭的姿態和控制系統產生巨大的擾動。因此，10公里的飛行高度不僅能夠測試火箭的耐受性，還可以驗證火箭在跨音速下的穩定性和精確控制能力。這一高度被選爲關鍵的試驗點，正是因爲其代表了火箭在極端條件下的性能測試。

那麼，完成這一10公里級的飛行，又意味着什麼呢？可以說，它標誌着火箭技術的一個重大進步。首先，火箭在這樣的高度返回併成功着陸，意味着其具備了基本的重複使用能力。正如中國朱雀三號的設計團隊所強調的，這一飛行成功表明火箭的發動機、柵格舵等核心部件可以在返回過程中精確配合，並保持穩定。但是，成功完成這一高度的試驗，並不意味着前方再無阻礙。10公里的飛行雖然驗證了火箭在部分複雜環境下的適應性和控制能力，但距離真正的軌道級飛行仍有很大差距。在更高的高度，火箭需要面對更嚴峻的挑戰，尤其是再入大氣層時的高溫和極高速度。對於中國的可重複火箭技術而言，10公里的飛行成功，更多的是意味着技術的驗證已進入關鍵階段。火箭的垂直起降技術已經有了初步的成果，但後續需要解決的，還有如何實現更高高度的垂直回收，以及應對再入過程中產生的巨大熱量和動能。比如再入大氣層時產生的高溫如何有效防護；比如火箭的着陸精度和速度控制如何進一步提高；再比如，火箭的結構如何足夠輕盈，但又要足夠堅固，以應對多次使用的疲勞損耗等等。我們期待着，隨着技術的逐步成熟和飛行次數的增加，這些問題將逐步得到解決。

而說到我國可重複火箭技術的發展與現狀，一個無法繞過的點就是SpaceX的成就了。SpaceX自2000年代初開始，就致力於研發能夠重複使用的火箭，並於2015年首次成功實現了火箭的垂直回收。此後，SpaceX多次完成軌道級火箭的回收與重複使用，徹底改變了航天產業的成本結構。相比之下，中國的可重複火箭技術起步較晚。雖然近年來取得了顯著進展，但與SpaceX仍存在一定差距。以朱雀三號VTVL-1爲例，目前中國的測試還處於10公里高度的垂直起降階段，而SpaceX早已實現了海上回收與軌道級火箭的重複使用。然而，這並不意味着中國航天沒有趕超的可能。中國近年來在航天技術的研發上投入了大量資源，並在多次試驗中取得了重大突破。從時間上看，中國可重複使用火箭的實用化進程或許還需5-10年左右才能達到SpaceX目前的水平。然而，中國龐大的市場需求，民營企業在技術創新上的投入，也會進一步縮短這一差距。

總而，10公里的飛行試驗不僅是技術驗證的重要一步，更是未來航天探索的基石。我國在這一領域雖起步較晚，但憑藉持續的投入和技術積累，有望在不久的將來趕上SpaceX步伐，開啓屬於我們自己的可回收航天時代。

本文爲科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：甘戍冬 科普視頻創作者

審覈：周炳紅 中國科學院國家空間科學中心研究員

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司