國外可重復使用載人飛船發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究

李志杰 果琳麗 張柏楠 戚發(fā)軔

（1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

國外可重復使用載人飛船發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究

李志杰1果琳麗1張柏楠1戚發(fā)軔2

（1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

載人航天未來的發(fā)展面臨著能力和效益的挑戰(zhàn)，發(fā)展可重復使用載人飛船技術(shù)是降低載人航天任務(wù)成本的重要手段之一。文章對可重復使用載人飛船概念進行了探討，給出了系統(tǒng)級可重復使用和部件級可重復使用載人飛船的含義。研究了全生命任務(wù)周期中載人飛船成本與可重復使用次數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明：可重復使用載人飛船在經(jīng)濟性上較一次性使用載人飛船有明顯優(yōu)勢，且可重復使用次數(shù)達到10次以上時，能夠使成本趨近于最低。對國外可重復使用載人飛船發(fā)展現(xiàn)狀和主要技術(shù)指標進行了分析，并對發(fā)展可重復使用載人飛船所須攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進行了梳理。以上研究內(nèi)容可為我國發(fā)展可重復使用載人飛船技術(shù)提供參考。

載人航天；可重復使用載人飛船；發(fā)展現(xiàn)狀；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

從加加林完成第一次載人航天飛行以來，經(jīng)過50多年的發(fā)展，載人航天技術(shù)已經(jīng)取得了輝煌的成就［1］。但是由于技術(shù)瓶頸和高經(jīng)濟投入的限制，載人航天未來的發(fā)展面臨著能力和效益的挑戰(zhàn)，降低發(fā)射和運營成本是關(guān)系到載人航天健康可持續(xù)發(fā)展的重要問題，而發(fā)展可重復使用載人飛船是解決這個問題的主要手段之一，目前已得到主要航天國家的重視和應用［2－4］。

在可重復使用載人飛船的研究論證方面，以美國和俄羅斯為代表的航天大國均取得了一定的進展［5－6］。在航天飛機退役之后，美國始終沒有放棄對可重復使用載人航天器的研究。2005年，美國提出“星座”計劃，目標是重返月球，并為未來的載人月球基地和載人火星探測任務(wù)做準備。作為該計劃的一部分，美國航空航天局（NASA）研發(fā)了“獵戶座”（Orion）新型可重復使用載人飛船，并于2014年12月進行了第一次飛行試驗；同時，美國商業(yè)公司也在積極發(fā)展可重復使用載人飛船，主要包括太空探索公司（Space X）的“天龍座”（Dragon）飛船和波音公司的乘員航天運輸－100（CST－100）飛船［4］。俄羅斯正在執(zhí)行“新型載人航天運輸系統(tǒng)”（PPTS）計劃，研制新一代可重復使用載人飛船，用于執(zhí)行近地軌道和月球任務(wù)［4］。

本文探討了可重復使用載人飛船概念，對可重復使用載人飛船應用于空間站任務(wù)的經(jīng)濟性進行了分析，并對國外可重復使用載人飛船發(fā)展現(xiàn)狀進行了研究，最后梳理了發(fā)展可重復使用載人飛船所需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，以為我國可重復使用載人飛船的發(fā)展提供參考。

2 可重復使用載人飛船概念

通常來說，可重復使用載人飛船應當是指可以重復使用的、能夠迅速穿越大氣層，自由地往返于地球表面與太空之間，運送乘員和有效載荷，也可以較長時間在軌停留和在軌機動，完成各種任務(wù)的載人航天器［7］。按可重復使用的程度進行劃分，可重復使用載人飛船可分為下面兩類［8］。

1）系統(tǒng)級可重復使用載人飛船

系統(tǒng)級可重復使用是指飛船的某一個或幾個系統(tǒng)或艙段在執(zhí)行完任務(wù)，返回再入、著陸回收后，經(jīng)過檢測和簡易修復處理后可以完整地用于下一次任務(wù)。為降低單次任務(wù)成本，國外新研制的載人飛船普遍采用系統(tǒng)級可重復使用設(shè)計。如Space X公司研制的“天龍座”載人飛船，由增壓返回艙和非增壓貨物艙組成，如圖1所示［4］。飛船再入返回前，返回艙與貨物艙分離，返回艙通過反推發(fā)動機減速并實現(xiàn)無損著陸回收，經(jīng)檢修后可執(zhí)行新的任務(wù)，從而實現(xiàn)重復使用。

圖1 “天龍座”可重復使用載人飛船艙段示意Fig．1 Sketch map of Dragon reusable manned spacecraft modules

2）部件級可重復使用載人飛船

部件級可重復使用是指飛船上的部件或功能單元在執(zhí)行完任務(wù)，返回再入、著陸回收后，經(jīng)可重復使用性評估，評估通過的部件可直接或通過簡易修復后在新的飛船上再次使用，在壽命期內(nèi)繼續(xù)承擔原有功能。比如飛船發(fā)動機部件，可在每次返回地面進行檢測維修后評估是否具備可重復使用性。針對飛船的數(shù)管、測控、控制、儀表顯示等電氣系統(tǒng)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用的技術(shù)，使飛船回收回來的電氣系統(tǒng)通過地面檢測后進行簡單的維護和更換即可實現(xiàn)部件級可重復使用的能力［8］。

3 可重復使用載人飛船經(jīng)濟性分析

以近地軌道空間站任務(wù)為例，隨著未來載人航天活動規(guī)模的增大，須要頻繁地進行人員和物資的近地軌道往返運輸。一次性使用的載人飛船無論從研制、發(fā)射和任務(wù)周期還是費用方面都無法滿足大規(guī)模載人航天活動的需求［6］。如圖2所示，通過載人飛船的可重復使用，一次任務(wù)完成后，通過簡單的測試和維護，就可以快速投入下一次任務(wù)，如此不僅可以大幅縮短任務(wù)的準備時間，提高航天發(fā)射頻次，還可能降低單次任務(wù)的成本，從而適應近地軌道空間站大規(guī)模載人航天任務(wù)的需求。

從圖3中可以看出，飛船的可重復使用能夠很好地降低空間站任務(wù)周期內(nèi)飛船的成本，且重復使用次數(shù)越多，成本越低。當飛船的可重復使用次數(shù)達10次以上時，能夠使成本趨近于最低，這解釋了國外可重復使用載人飛船的重復使用次數(shù)指標均取10次的原因［3，11］。

4 國外可重復使用載人飛船發(fā)展現(xiàn)狀

參考“國際空間站”的運營及補給任務(wù)規(guī)劃［9］，初步考慮在近地軌道空間站的運營及維護階段，載人飛船每6個月發(fā)射一次，假設(shè)空間站的壽命周期為15年，那么載人飛船共須要發(fā)射30次。參考美國Space X公司“天龍座”飛船的研制成本和產(chǎn)品成本［5，10］，假設(shè)新研制一種可以重復使用的載人飛船用于在空間站壽命周期內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，飛船的研制成本和產(chǎn)品成本分別取80億元和8億元，同時假設(shè)飛船每次回收后的重復使用成本為3億元。根據(jù)可重復使用飛船在空間站任務(wù)周期內(nèi)的成本計算模型：全任務(wù)周期飛船成本＝飛船研制成本＋飛船產(chǎn)品成本×飛船制造數(shù)量＋重復使用成本×（飛船總發(fā)射次數(shù)－飛船制造數(shù)量）［5］，計算空間站全壽命周期內(nèi)載人飛船成本與可重復使用次數(shù)的關(guān)系如圖3所示。其中，飛船制造數(shù)量＝飛船總發(fā)射次數(shù)/飛船可重復使用次數(shù)；飛船為一次性使用時，可重復使用次數(shù)為1。

當前國外載人飛船進入了更新?lián)Q代的時期，新一代載人飛船在總體設(shè)計理念上發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，任務(wù)目標以“國際空間站”和載人登月等任務(wù)為核心，覆蓋近地軌道和載人深空往返運輸任務(wù)的需求，并采用可重復使用設(shè)計理念，在擴大任務(wù)覆蓋范圍的同時降低航天運輸成本［11］。

4．1 “天龍座”飛船

“天龍座”可重復使用飛船于2005年由美國Space X公司為NASA商業(yè)軌道運輸服務(wù)項目開始研制，分為貨運和載人兩種型號［12］，為了能快速地在貨運與載人能力之間轉(zhuǎn)變，除乘員運輸時必要的逃逸救生系統(tǒng)和生命保障系統(tǒng)之外，兩種飛船的構(gòu)型幾乎相同，如圖1所示。“天龍座”載人飛船主要包括：加壓返回艙，體積為10m3，用于搭載乘員和/或加壓貨物；非增壓貨物艙，體積為14m3，裝有電子設(shè)備、反作用控制系統(tǒng)、降落傘和其它支持設(shè)備［13］。由于“天龍座”載人飛船擬采用返回艙整體逃逸的逃逸方式，逃逸發(fā)動機在發(fā)射過程中不拋棄，可以提供載人飛船在整個飛行中應急救生的能力。未來還可以利用逃逸發(fā)動機實現(xiàn)再入返回時的精確定點無損著陸，這樣也有利于實現(xiàn)返回艙的可重復使用［13］。

4．2 CST－100飛船

2009年，NASA提出商業(yè)乘員發(fā)展計劃，美國波音公司開始研制CST－100飛船，主要任務(wù)是為“國際空間站”或?qū)砜赡艿纳虡I(yè)空間站運送乘員［4］。如圖4所示，CST－100飛船由乘員艙和服務(wù)艙組成，總質(zhì)量13t，最大乘組人數(shù)為7人［4］。CST－100飛船設(shè)計的出發(fā)點不是要運用或者發(fā)明新的技術(shù)和設(shè)備，而是采用已經(jīng)成熟的技術(shù)和硬件確保其安全性和可靠性并降低成本。CST－100飛船乘員艙在著陸回收的設(shè)計中采用緩沖氣囊，6個安全氣囊在乘員艙著陸前的2min由氮氧混合氣體填充，用于減輕著陸時的沖擊，以實現(xiàn)乘員艙主體的無損著陸，為其可重復使用奠定基礎(chǔ)［11］。

圖4 CST－100可重復使用載人飛船F(xiàn)ig．4 CST－100reusable manned spacecraft

4．3 “獵戶座”飛船

2011年2月，NASA宣布開發(fā)多用途乘員飛行器（“獵戶座”飛船），用于運送乘員到達“國際空間站”以及地球軌道以遠的太空區(qū)域，兼具月球探測能力［14］。如圖5所示，獵戶座飛船由返回艙和服務(wù)艙組成，總重21．2t，乘員人數(shù)2～4人，載荷容積8．95m3，采用傳統(tǒng)逃逸塔方式進行發(fā)射逃逸［14］。飛船采用一對安裝在服務(wù)艙上的傘形展開式圓形太陽翼供電，在軌運行時展開。在“獵戶座”飛船的可重復使用設(shè)計中，允許返回艙可以執(zhí)行10次飛行任務(wù)。

4．4 PPTS飛船

2006年，俄羅斯聯(lián)邦航天局提出了先進乘員運輸系統(tǒng)計劃，即在聯(lián)盟號飛船的基礎(chǔ)上進行改進，研制新型飛船。隨后，俄羅斯于2010年完成了新型載人飛船運輸系統(tǒng)（PPTS）的初步設(shè)計工作，目標是向“國際空間站”運送人員及貨物，也可以執(zhí)行載人月球探測和載人火星探測任務(wù)。如圖6所示，PPTS飛船由返回艙和服務(wù)艙兩部分組成，總質(zhì)量12．7t（近地軌道任務(wù)）～16．5t（月球任務(wù)），乘員人數(shù)4～6人，載荷容積10m3，設(shè)計返回艙能在15年的壽命期內(nèi)重復使用10次，以降低天地往返的運輸成本［11］。PPTS飛船使用固體火箭減速裝置進行著陸，著陸系統(tǒng)包含可伸縮的著陸腿和一個可重復使用的熱防護系統(tǒng)，從而保證飛船返回艙的安全返回并實現(xiàn)重復使用［11］。

圖6 PPTS可重復使用載人飛船F(xiàn)ig．6 PPTS reusable manned spacecraft

4．5 主要技術(shù)指標

從國外新一代載人飛船的發(fā)展中可以看出，為了提升任務(wù)適應能力，兼顧近地軌道與深空探測任務(wù)，載人飛船的設(shè)計不同程度地均采用了可重復使用技術(shù)。積極研發(fā)安全、廉價、成熟的可重復使用載人飛船是新一輪載人航天器發(fā)展的主要趨勢。國外可重復使用載人飛船的主要技術(shù)指標如表1所示，可以看出，新一代載人飛船均通過多種技術(shù)途徑實現(xiàn)可重復使用，包括使用先進的防熱系統(tǒng)或先進的回收著陸方式等，使得飛船能夠達到可重復使用10次的目標。

表1 國外可重復使用載人飛船主要技術(shù)指標Table 1 Technical specifications of foreign reusable manned spacecraft

5 可重復使用載人飛船關(guān)鍵技術(shù)分析

在發(fā)展可重復使用載人飛船的初期，應當充分重視其發(fā)展規(guī)律，借鑒我國已有神舟飛船的成熟技術(shù)和美國、俄羅斯等國可重復使用載人飛船的研制經(jīng)驗，同時考慮支持后續(xù)任務(wù)的功能升級與更新。對于我國可重復使用載人飛船的發(fā)展，已有技術(shù)已無法滿足全部要求，從國外可重復使用載人飛船的發(fā)展和研制歷程中可以看出［3，8，11］，決定載人飛船可重復使用性能的關(guān)鍵技術(shù)包括總體設(shè)計與驗證技術(shù)、動力技術(shù)、結(jié)構(gòu)及材料和無損著陸回收技術(shù)等，應當對其進行重點攻關(guān)。此外，為縮短可重復使用載人飛船的發(fā)射周期和節(jié)約地面成本，電氣系統(tǒng)的快速智能測試技術(shù)也應當是研究的重點。

5．1 總體設(shè)計與驗證技術(shù)

可重復使用載人飛船的總體設(shè)計技術(shù)決定了飛船的先進性、研制難度和研發(fā)成本［3］。過高的指標要求和復雜的方案設(shè)計會增加研發(fā)成本及技術(shù)難度，造成方案更改較大，繼承性差，從而帶來更多技術(shù)風險。因此，須要建立可重復使用載人飛船的綜合技術(shù)體系，從技術(shù)風險、可靠性、安全性、效益等方面對可重復使用載人飛船總體方案進行優(yōu)化和論證。通過對敏感因素產(chǎn)品進行環(huán)境適應性設(shè)計，典型設(shè)備（結(jié)構(gòu)、電氣、動力等）的技術(shù)指標進行試驗驗證，提出整船的可重復使用次數(shù)等技術(shù)指標。主要研究內(nèi)容包括：

（1）任務(wù)分析及任務(wù)規(guī)劃技術(shù)。根據(jù)用戶使用需求完成任務(wù)目標分析，并對影響可重復使用載人飛船任務(wù)規(guī)劃的約束因素進行分析、識別。

（2）氣動外形及總體布局設(shè)計技術(shù)。研究確定載人飛船的氣動性能指標，包括升阻比、阻力系數(shù)、最大需用容積等。通過對設(shè)備統(tǒng)一的安裝工藝、接口設(shè)計、地面維護的人機功效設(shè)計等方案的研究對艙內(nèi)設(shè)備布局進行設(shè)計。

（3）健康監(jiān)測及故障診斷技術(shù)。設(shè)計綜合健康管理系統(tǒng)，以便在軌期間利用傳感器測量了解載人飛船各個分系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并增加故障檢測、故障診斷和故障控制等措施。

（4）可重復使用試驗技術(shù)。對敏感因素產(chǎn)品進行環(huán)境試驗驗證，確保其滿足全生命周期內(nèi)環(huán)境適應性要求。

5．2 可重復使用動力技術(shù)

可重復使用載人飛船的發(fā)動機應當在滿足性能指標要求的同時，按照發(fā)動機的使用壽命、性能、可維護能力和返場準備時間等要求來進行設(shè)計，還要采用健康監(jiān)控技術(shù)對發(fā)動機進行在線或者離線的故障診斷。多年來，美國通過開展航天飛機的研制工作積累了大量的研制經(jīng)驗，也總結(jié)了許多可重復使用發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)方面的經(jīng)驗和教訓，研制可重復使用發(fā)動機還應當重點突破減損與延壽控制等關(guān)鍵技術(shù)［15－16］，主要研究內(nèi)容包括：

（1）減損與延壽控制技術(shù)。通過減少發(fā)動機系統(tǒng)中關(guān)鍵部件上的損傷來延長系統(tǒng)的工作壽命。

（2）長壽命高效熱防護推力室技術(shù)。重點對發(fā)動機推力室的冷卻結(jié)構(gòu)和材料及傳熱試驗等方面開展研究。

（3）高壓長壽命大范圍流量調(diào)節(jié)器技術(shù)。開展多方案仿真分析、靜態(tài)與動態(tài)試驗驗證，突破低溫高壓大范圍流量無級調(diào)節(jié)閥技術(shù)。

5．3 高強度輕質(zhì)主結(jié)構(gòu)技術(shù)

載人飛船的返回艙是組成載人飛船的各艙段中承受最惡劣力學、熱學環(huán)境的艙段。為提高返回艙的可重復使用次數(shù)，須重點提高返回艙結(jié)構(gòu)抗沖擊能力。目前返回艙主結(jié)構(gòu)形式包括傳統(tǒng)的蒙皮加筋式結(jié)構(gòu)和整體壁板式結(jié)構(gòu)［17］。蒙皮加筋結(jié)構(gòu)由薄壁和加強筋組合而成，整體壁板式結(jié)構(gòu)也具有薄壁和加強筋，不同的是其薄壁和加強筋由整塊材料銑削成形。整體壁板式結(jié)構(gòu)承載效率高，抗壓能力強，同時大幅度提高了結(jié)構(gòu)整體性、密封性和可靠性，進而提高了載人飛船可重復使用水平，是國外可重復使用載人飛船返回艙的首選結(jié)構(gòu)形式。

5．4 輕質(zhì)低燒蝕熱防護材料技術(shù)

非燒蝕防熱材料主要包括防熱陶瓷瓦和合金瓦等，由于其防熱能力不足，主要在過載較小的升力體式返回艙上才進行使用［18］。另一方面，非燒蝕防熱材料的密度過大，使得熱防護系統(tǒng)質(zhì)量過重，且基本不具備可重復使用能力；輕質(zhì)低密度防熱材料，不僅用以防護飛船返回艙結(jié)構(gòu)在氣動加熱環(huán)境中免遭燒毀破壞，并保持結(jié)構(gòu)所需的氣動外形，也是進行載人飛船輕量化設(shè)計的有效途徑之一。因此在可重復使用載人飛船的防熱材料選擇上應以輕質(zhì)低燒蝕材料為主，比如酚醛浸漬碳纖維燒蝕（PICA）防熱材料，重點研究低燒蝕輕質(zhì)新型防熱材料的耐熱性以及材料本身的可重復使用能力。

5．5 無損著陸回收技術(shù)

著陸回收系統(tǒng)對載人飛船的可重復使用性能有著至關(guān)重要的影響。載人飛船返回艙在執(zhí)行地球返回任務(wù)時，著陸回收系統(tǒng)中的減速方式包括傳統(tǒng)的降落傘減速（單傘、群傘）和大推力火箭發(fā)動機反推減速，著陸緩沖方式包括緩沖氣囊和著陸腿等［19］。美國的“天龍座”和俄羅斯的PPTS可重復使用載人飛船目前均考慮使用大推力火箭發(fā)動機反推著陸的回收方式［20］。為實現(xiàn)載人飛船返回艙的可重復使用，無損著陸回收技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括：

（1）反推發(fā)動機減速技術(shù)。將固體發(fā)動機運用于回收減速，須重點考慮多臺發(fā)動機點火同步、推力一致性、推力矢量控制、環(huán)境適應性等問題。

（2）氣囊緩沖技術(shù)。緩沖氣囊著陸時，與地面有相當大的反作用力和接觸面積，防反彈和防傾倒技術(shù)是緩沖氣囊設(shè)計過程中應重點考慮的問題。

（3）著陸腿緩沖技術(shù)。緩沖著陸腿具有承載質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點，特別適用于載人飛船軟著陸的緩沖系統(tǒng)。重點研究可重復使用緩沖器和抗疲勞及耐久性設(shè)計技術(shù)。

5．6 快速智能測試技術(shù)

快速智能測試技術(shù)決定了載人飛船的重復使用周期和測試質(zhì)量，是載人飛船實現(xiàn)可重復使用性能的關(guān)鍵。可重復使用載人飛船相對于已有的一次性使用載人飛船，其最大的優(yōu)勢在于重復使用過程中所節(jié)省的投入［21］，因此能否在目前載人飛船測試時間、人員成本大力投入的前提下實現(xiàn)測試快速化與智能化的突破，直接決定了可重復使用載人飛船的設(shè)計效率和成本。快速智能測試技術(shù)的突破，主要開展虛擬樣機測試評估與自動化測試。其中虛擬樣機測試評估主要針對飛船研制測試的應用，支持產(chǎn)品從需求分析、詳細設(shè)計、加工制造各環(huán)節(jié)的測試評估；自動化測試則針對研制測試、重復檢查測試的應用，實現(xiàn)全過程測試的自動化。另外，快速發(fā)射與智能測試技術(shù)還應包括電氣設(shè)備的即插即用技術(shù)，從而實現(xiàn)可重復使用載人飛船的快速響應和發(fā)射。

6 結(jié)束語

通過國外載人飛船發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，新型載人飛船在拓展任務(wù)適應范圍的同時均采用了可重復使用的設(shè)計理念，而發(fā)展可重復使用載人飛船能夠有效降低載人航天任務(wù)成本，提高工程效益，是未來人類對空間深度開發(fā)和利用的必然發(fā)展趨勢。一項對載人飛船的成本與可重復使用次數(shù)關(guān)系的分析結(jié)果表明，載人飛船可重復使用次數(shù)達到10次以上時，可顯著降低成本。

發(fā)展可重復使用載人飛船還應當重點突破一批關(guān)鍵技術(shù)，其中，總體設(shè)計與驗證技術(shù)以及動力技術(shù)的研究對可重復使用載人飛船總體方案及后續(xù)其它技術(shù)方案的確定有著很大的影響，應盡早開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。快速智能測試技術(shù)、結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)及無損著陸回收技術(shù)也應當制定合理的研究計劃，以進一步針對可重復使用載人飛船開展深入研究。

根據(jù)我國載人航天戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，我國將要建成近地軌道載人空間站，并持續(xù)開展載人深空探測任務(wù)。隨著我國越來越頻繁的載人航天活動，其規(guī)模也越來越大，應結(jié)合我國國情，盡快發(fā)展可重復使用載人飛船技術(shù)，降低載人天地往返運輸任務(wù)的成本，提高我國載人航天工程效益。

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