飛船可重復使用的那些門道

常飛

乘坐“龍”飛船的兩位宇航員

波音公司的星際航班飛船

SpaceX公司的“龍”飛船

我國近期試驗成功的新一代載人飛船是全面升級的天地往返交通工具，可重復使用。事實上，目前世界上正在研制的5種載人新飛船都是瞄準可重復使用這個目標去的。

那么，這些新飛船為了可重復使用都做了哪些努力？其中有哪些門道？讓我們一起來看看。

防護是“重復使用”的關鍵

目前世界上正在研制的載人飛船一共有5種，它們全都是瞄準可重復使用這個目標而去的。這5種飛船分別是美國的“獵戶座”飛船、載人“龍”飛船、“星際線”飛船，俄羅斯的“鷹”飛船和中國的新一代飛船。

載人飛船要想做到可重復使用，需要討論兩個方面的問題。

首先是飛船各種分系統能不能經受得住起飛和再入時的嚴重沖擊，特別是結構分系統會不會因為反復飛行而存在“暗傷”。哪怕一點小小的裂紋，也會在撞擊空氣的那一瞬間釀成大禍。

第二個方面是飛船的熱防護系統的設計。到底是使用每次飛行都更換的燒蝕材料呢，還是使用可以反復用而無需更換的隔熱瓦？

當年的航天飛機就選擇了后一種技術路線，其外表面布設的碳基復合材料隔熱瓦在100多次飛行中都保持了正常使用。雖然“哥倫比亞號”航天飛機正是因為隔熱瓦被砸出一個裂紋而失事，但這很大程度上不是隔熱瓦的錯，而是總體設計的問題。

我國新一代載人飛船試驗船于5月5日由“長征五號”B運載火箭在文昌航天發射中心發射升空

航天飛機是一種有人駕駛可重復使用的航天器，它既能像火箭一樣垂直起飛，像太空飛船一樣在軌道上運行，又能像飛機一樣水平著陸

“龍”飛船之所以載人首飛成功，離不開美國航空航天局的大力支持

因為這項技術在原理上是沒毛病的，所以美國空軍在目前正使用的X-37B空天飛機上，也采用了和航天飛機一樣的多次使用隔熱瓦和防熱設計。不過由于X-37B空天飛機是一種無人飛行器，而且只需要從低軌道返回地球，所以運用這種防熱設計的一大缺點是它每次返回都需要進行繁瑣的檢查、維護，并且還要更換損壞的隔熱瓦。

既然這么麻煩，研究人員就開始考慮放棄可重復使用的隔熱瓦。這就是“獵戶座”飛船、“鷹”飛船和中國新一代飛船的熱防護方案，而且這3種星際飛船返回大氣層的速度更快、摩擦生熱更劇烈，用碳基隔熱瓦未必能承受住這么高的熱沖擊。就算人們能設計一種可重復使用的隔熱瓦，制造、使用和維護成本恐怕也非常高，可靠性也沒有經過驗證。因此，這3種飛船都采用了一次性使用的燒蝕材料熱防護罩。

不過大家也發現了，“獵戶座”飛船多少還是繼承了航天飛機的一些思想。比如它用970塊瓦狀的燒蝕材料構成了一個覆蓋飛船外表面的熱防護罩。這樣的設計對制造有利（如果在發射準備過程中發現有部分破損，只要更換壞瓦即可，無需更換整個防熱罩），但也帶來了安裝/拆卸過程繁瑣、耗時長等問題。

“鷹”飛船的熱防護系統細節尚未披露。中國新一代飛船則采用了新型材料。哈爾濱工業大學在官網上說：“新一代載人飛船試驗船熱防護系統首次采用我校與北京衛星制造廠有限公司聯合研發的新型超輕質低燒蝕防隔熱一體化復合材料技術方案，與傳統AVCOAT材料相比，整體減重30%以上，防熱效率大幅提升，有效載荷明顯提高。熱防護系統承受住了再入返回過程中最高2000℃以上的高溫燒蝕……”

載人“龍”飛船的熱防護系統采用了碳/酚醛燒蝕材料，貨運“龍”飛船的實際飛行證明，這種材料和整個防熱方案的表現不錯。

而“星際線”飛船幾乎就是照著“阿波羅”飛船的外形研制的。由于“阿波羅”是星際飛船，作為低軌道飛船的“星際線”飛船的熱防護需求肯定還是要比“阿波羅”飛船低得多，那么直接沿用“阿波羅”方案就足夠了。

“重復”對星際飛船要求高

從上述5種飛船的情況來看，我們可以把它們分成星際飛船與低軌道飛船。在這個分類當中，“獵戶座”飛船、“鷹”飛船和中國新一代飛船要被歸入星際飛船之列，而載人“龍”飛船和“星際線”飛船則無緣進入。那么，這兩類飛船有什么區別呢？

星際飛船就是要離開地球引力場，前往另外一個星球，支持人類在那里進行的載人探索活動，然后再把航天員從那顆星球帶回地球，再入大氣層，安全地回到地面。

大家都知道，宇宙飛行有第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。只要能夠滿足第一宇宙速度，飛船就可以把人類送進地球的低軌道，但是要想把航天員送到更高的軌道上，甚至是送到其他的星球，哪怕是僅僅送到月球而已，也要達到第二宇宙速度。

這就帶來了兩個問題。首先，離開地球引力場和地球電離層的保護之后，航天員所面臨的宇宙輻射風險就更嚴重了。所以，星際飛船必須為航天員提供更好的輻射防護，要比我們所熟悉的“聯盟”飛船和“神舟”飛船更強。

另外，從外星球返回地球的時候，根據能量守恒原則，它還是會以第二宇宙速度接觸地球大氣層，這就意味著其要面臨更劇烈的氣動加熱。雖然第二宇宙速度在數值上只比第一宇宙速度多了3.3千米/秒，但是能量和速度的平方成正比，這也就意味著，如果考慮各質量相同的物體，當它以第二宇宙速度再入時，能量要比以第一宇宙速度再入多了1倍。這就要求星際飛船的熱防護能力要比低軌道飛船強得多。

目前，美國的“獵戶座”飛船已經進行了實驗飛行和逃逸救生實驗。近日，載人“龍”飛船更是將兩位宇航員送上太空，與國際空間站成功對接。此前，載人“龍”飛船不但進行了成功的飛行，而且還在全世界面前演練了一次成功的逃逸救生。波音公司的“星際線”飛船首次飛行雖然慘遭失敗，但畢竟暴露出了問題，而且飛船的大系統經受住了考驗。中國的新一代飛船剛剛實施了一次成功的無人飛行。據悉，該飛船的主要分系統表現出色，還進行了3D打印等空間科學實驗，載人飛行的前景是非常樂觀的。