□钱航

近日，深蓝航天公司的星云一号可回收复用液体运载火箭栅格舵展开性能试验取得圆满成功，为2024年底“星云一号”首飞奠定基础。而SpaceX公司的“星舰”发射时，人们也能看到助推器顶端有4个栅格舵。那么，什么是栅格舵？小小栅格舵是如何助力火箭回收的呢？

小身板大用处

栅格舵是一种火箭飞行姿态控制装置，被称为火箭的“小翅膀”。科研人员通过它们可以控制火箭回收时的姿态，帮助火箭子级精准着陆。一般而言，固定不动的控制面称为栅格翼，可转动控制面称为栅格舵。

栅格舵（翼）技术起源于航空早期采用的多翼面升力系统。20世纪40年代末，苏联开展亚声速条件下工作的可折叠栅格舵的空气动力学研究，为栅格舵奠定了基础。栅格舵在许多方面表现出优于传统单面翼的特征，例如栅格舵具有更高的抗失速性能；在体积比较小的情况下能够得到较大的总面积，便于折叠安装；栅格舵的铰链力矩通常也较小，因而舵面驱动机构的功率可以很小……这些优点使得栅格舵技术逐步应用于多个型号任务。

联盟号载人飞船的逃逸塔就采用了栅格翼，以保障逃逸飞行时的姿态稳定。20世纪80年代后，栅格舵技术引起西方国家的重视，将其应用在多个型号上。后来，SpaceX公司将栅格舵技术应用到火箭子级的垂直回收中。

我国也对栅格舵技术进行了研究和应用。20世纪90年代，长征二号F逃逸飞行器在我国工程项目上首次应用了栅格翼技术。2019年，长征二号丙火箭和长征四号乙火箭先后搭载栅格舵系统完成了落区控制技术验证，通过栅格舵的控制作用大大减小了落区面积，也为可重复使用火箭技术奠定了基础。2023年，我国在研的最大尺寸栅格舵展开试验获成功，其将用于长征十号火箭一子级回收。

助力火箭精准回收

那么，小小栅格舵是如何助力火箭回收的呢？

现役运载火箭一子级落区精确控制研制工作，即在火箭一子级级间段增加4片栅格舵，精确控制残骸落点。栅格舵的工作马赫数范围扩大到高超声速，并参与控制和机动。

栅格舵传动机构主要由舵轴、轴承、关节轴承、摇臂和连杆等组成。其中，关节轴承Ⅱ用于连接伺服装置的活塞杆与连杆，关节轴承Ⅰ用于连接连杆和摇臂，舵轴在轴承Ⅰ和Ⅱ的支承下安装在箭体上。整套传动机构由液压直线伺服装置驱动，伺服装置通过活塞杆输出直线往复运动。活塞杆通过连杆带动摇臂，将直线运动转化为摇臂的摆动。栅格舵的舵轴通过轴销与摇臂紧固连接，栅格舵随摇臂的摆动同步转动，从而调整气动力，实现火箭的姿态控制。

在可重复使用火箭再入返回过程中，发动机喷管摆动和反作用控制系统均可用于调整火箭姿态，且基本不受火箭高度和速度的影响。但发动机再次点火次数有限，每次点火的工作时间较短，无法在完整的再入过程中提供持续控制力，一般用于“原场返回”的掉头段、再入过程中的减速段以及着陆前的减速段。而反作用控制系统较小的控制力无法满足克服大扰动和提高机动能力的需求。

再入大气层后，栅格舵在高速和高超声速条件下的控制效率较高，但在跨声速和低速下的控制效率较低。栅格舵的气动控制作用不是可重复使用火箭再入控制的唯一手段，需与发动机反推控制和反作用控制系统配合使用，形成合理的交班点条件，以及不同阶段控制力来源的主次关系。因此，科研人员需要设计适合栅格舵作用的典型工况，使其能够具有较高的气动效率。

随着商业航天的持续发展，可重复使用运载火箭已成为降低太空探索成本、提高运载效率的关键。相信在未来，人们能越来越多地在火箭上看到栅格舵的身影。