可重復使用航天器：追求低成本 未來值得期待

文/楊詩瑞

▲ 龍樂豪院士

▲ 長征五號火箭 宿東攝

今年4月24 日是我國第三個航天日，在哈爾濱召開的首屆中國航天大會上，中國工程院院士、中國運載火箭技術研究院運載火箭系統總設計師龍樂豪詳細介紹了可重復使用航天運輸系統的發展情況，并對未來進行展望。

可重復使用航天運輸系統是指能多次往返于地面、空間軌道及軌道與軌道間，完成快速運輸、快速進出空間等多種任務，并按需返回地面的航天飛行器。由于可重復使用的特征，使得這項技術具有廉價、快速、機動、可靠等特點，近年來在國際航天領域備受關注。那么，我國在重復使用航天運輸系統方面有何安排與規劃呢？

多種路線同步推進

自上世紀50～60年代以來，人類一直在開展重復使用運載器的技術探索研究，經過幾十年發展，航天飛機實現了工程應用。之后，美國又投入巨資開展國家空天飛機計劃、冒險星計劃、空間機動技術驗證飛行器等研究，形成了多種典型方案，其部分方案已經得到驗證和應用。

龍樂豪表示，重復使用航天運輸系統總體來看可分為三種技術途徑：一是傳統運載火箭構型重復使用，一般包括運載火箭助推/子級回收和垂直起降運載火箭；二是火箭動力重復使用，如升力式構型運載器等；三是組合動力重復使用，如火箭基組合循環、渦輪基組合循環發動機、復合預冷等。目前，我國已經在上述三種重復使用技術的發展路線上同步推進并形成了梯次能力。

▲ 2016年6月25日，長征七號運載火箭在海南文昌航天發射場點火升空

在重復使用運載火箭構型方面，現役長征三號甲系列火箭、長征四號系列火箭采用的有毒推進劑，其箭體無法重復使用，但可通過傘降回收和柵格舵返回兩種回收技術，實現落區精確控制，確保航區安全。

其中，傘降回收是在助推器/子級返回段利用降落傘減速，最終實現陸地、海上和空中回收的方式。柵格舵返回是隨著高度不斷下降，利用柵格舵將子級姿態調整為穩定狀態飛行，并通過導航制導控制系統，導引子級向目標落區飛行并定點著陸的方式。

傘降回收技術是基于傳統火箭構型，總體設計變化小，技術成熟度高，短期內可實現，但回收過程中存在對箭體的沖擊。技術難點在于火箭子級在降落過程中速度很快，降落傘研制難度高。同時，大質量箭體降落傘的設計、仿真和試驗技術要求高，如果遇大風天氣，其箭體姿態穩定困難。

在芯級柵格舵回收方案中，可以在火箭的一、二級分離后，利用安裝在一、二子級級間段上的柵格舵按預定指令展開。隨著高度下降，動壓不斷增加，箭體姿態將進入自穩定階段，此時，導航制導控制系統開始工作，導引一子級火箭向目標落區飛行及定點著陸。

這種回收技術是基于傳統火箭構型，利用柵格舵保持箭體姿態穩定，對火箭箭體改變較小，技術難度較低。難點在于子級柵格舵氣動特性復雜，子級柵格舵組合體返回段姿態具有多通道耦合特性，子級再入防解體的難度較大。

柵格舵系統作為高集成度的獨立系統，成本低，適應性強，對箭體改動小，可用于火箭一子級殘骸落區控制。

對于“長征五號”“長征六號”“長征七號”等新一代運載火箭，可以通過垂直起降技術實現子級/助推的回收、復用。垂直起降是在子級返回段利用主發動機重啟反推減速，利用高精度控制手段實施陸地或海上平臺精確著陸回收，但龍樂豪認為，該方案具有一定技術難度。

在升力式火箭動力重復使用運載器方面，龍樂豪表示，升力式火箭動力重復使用運載器以重復使用液氧甲烷發動機作為主動力，采用翼身組合體構型，可重復使用幾十次，最大飛行高度超過100公里。

這種方式兼具航空器和航天器技術特點，采用升力式構型、火箭發動機能夠通過自動進場著陸方式來實現精確著陸與完全重復使用，是當前重復使用運載器的主要發展方向。技術難點在于要具備滿足大速域、大空域飛行要求的氣動外形設計技術，滿足垂直起飛水平著陸飛行要求的結構設計技術和輕質材料與熱防護設計技術。

在組合動力重復使用運載器方面，根據設想，一級構型以組合循環發動機作為主動力，采用水平起降方式；二級構型可以是一次性運載火箭，也可以是升力式火箭動力重復使用運載器，其一子級與二子級分離點的高度約20～30公里、速度6～7倍聲速，一子級分離后返回并水平降落，二子級運送有效載荷進入軌道。

這種方式采用升力式構型、新型組合動力發動機，具有起降靈活、高比沖和高效率、適應大空域飛行等特點。技術難點在于總體/氣動/推進高度一體化設計技術，高性能組合動力發動機設計技術，以及輕質結構與熱防護技術。

總之，我國重復使用運載器的戰略發展思路可從部分重復使用到完全重復使用、從火箭動力到組合動力、從兩級入軌到單級入軌，基于對國內外發展情況的分析，結合我國研究現狀及技術基礎，并在充分汲取國外經驗教訓的基礎上做出最終解決方案。

▲ 獵鷹9火箭返回著陸

未來值得期待

龍樂豪表示，探索廉價、快速進出空間運輸工具，支撐未來大規模利用空間，推動空間應用產業快速發展，牽引需求與需求牽引形成良性循環是我國重復使用運載器未來的發展方向。

“中國的‘天宮’和‘北斗’也將助力未來空間應用產業，成為重復使用運輸系統的基地和基站。”龍樂豪繼續說道。

另外，龍樂豪還展示了我國2017～2045年航天運輸系統發展路線。2020年，以長征三號甲系列運載火箭為代表的現役火箭將實現助推器/子級落點控制。正在研制的長征八號新一代運載火箭將實現一子級整體垂直回收，并面向全球提供多樣化商業發射服務。

2025年，我國可重復使用亞軌道運載器有望研制成功，亞軌道太空旅游將成為現實。

2030年，我國火箭動力兩級重復使用運載器有望研制成功，具備完全重復使用能力。

2035年，我國運載火箭有望實現完全重復使用，更多的普通大眾可以乘坐兩級可重復使用運載器遨游太空。

2040年，我國運載火箭升級換代，組合動力兩級重復使用運載器研制成功，運輸工具將更加多樣化、智能化、高可靠、低成本，進出空間更加便捷和高效。

2045年，我國組合動力單級入軌運載器研制成功，進出空間和空間運輸的能力將更加強大。

盡管前景樂觀，但重復使用運載器最大的難題是適用性、可靠性、可維護性及成本、熱防護系統。這是因為從軌道及亞軌道無動力重返地面的航天運載器具有巨大的動能和勢能，盡管這些能量大部分以激波和尾流等形式耗散于大氣中，但航天器的總能量仍然很大。例如，航天器在滑翔過程中90%的時間處于高于5公里/秒的高速飛行狀態，表面溫度可以達到1700攝氏度，而超燃沖壓發動機喉道溫度可達到4500～5500攝氏度，這樣的高溫使其現有的金屬很難承受。

針對以上問題，龍樂豪指出，要支撐重復使用運載器未來發展，還需要繼續攻關包括氣動特性優化、輕質耐高溫防/隔熱材料、結構輕質化、發動機性能優化和重復使用評估等5大關鍵技術。同時，還要以滿足高超聲速飛行、高升阻比與再入返回降低熱流、再入返回非燒蝕和動靜熱密封等問題，并進一步提高運載能力，提高比沖、推質比等。

除此之外，重復使用運載器的研究將帶動高超聲速空氣動力學、高精度制導控制、先進空天動力、耐高溫輕質材料與結構制造、重復使用評估標準等學科和技術的發展。

龍樂豪表示，對重復使用運輸系統開展的相關研究將進一步促進我國基礎學科和工程技術水平的整體提升。

總之，航天運輸系統是牽動航天產業發展和科技進步的龍頭。重復使用運載器的發展會提升我國自主進入空間的能力，加快我國運載火箭更新換代的腳步，助力我國向世界航天強國邁進。