可重復使用的飛船都有哪些門道

文｜常 飛

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？

美國獵戶座飛船

美國載人龍飛船

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，全都瞄準可重復使用這個目標。這5種飛船分別是美國的獵戶座飛船、載人龍飛船和星際線飛船，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,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，也會在撞擊大氣的那一瞬間釀成大禍。

其次，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，還是使用可以反復利用而無須更換的隔熱瓦呢？

航天飛機表面的隔熱瓦

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——美國航空航天局（下文簡稱“NASA”）不該把航天飛機和外置燃料罐設計成平齊的構型，以至于頂部脫落的防熱泡沫磚可以直接砸到機翼。如果航天飛機是頂在燃料罐上方，并且被整流罩保護起來的話，應該就不會出現這種問題。

因為這項技術在原理上是沒毛病的，所以美國空軍在目前使用的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，每次返回都需要進行煩瑣的檢查、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。這也是獵戶座飛船、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這么高的熱沖擊。就算人們能設計出一種可重復使用的隔熱瓦，其制造、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設計思想。比如，它用970塊瓦狀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，無須更換整個防熱罩），但也帶來了安裝、拆卸過程煩瑣、耗時等問題。

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。哈爾濱工業大學的官網介紹，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復合材料技術方案，與傳統材料相比，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。

中國新一代載人飛船返回艙的金屬結構與防熱結構分開

載人龍飛船的熱防護系統就有點兒意思了。該飛船的熱防護系統并不是SpaceX公司自己研制出來的，而是早年間，一家名為馬丁·瑪麗埃塔的公司研制的，曾用在星塵號小行星探測器上。NASA阿姆斯研究中心花費了不少研制費，把這種技術送給了SpaceX公司。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。

波音公司幾乎很少討論星際線飛船的防熱設計問題，因為星際線飛船幾乎就是照著阿波羅飛船的外形研制的。而阿波羅飛船是星際飛船，作為低軌道飛船的星際線飛船，其熱防護需求肯定要比阿波羅飛船低得多，那么直接沿用其方案就足夠了。

“重復”對星際飛船要求高

從上述5種飛船的情況來看，我們可以把它們分為星際飛船與低軌道飛船，也可以把它們分成“國家隊”飛船和商業飛船。

在星際飛船與低軌道飛船這個門類中，獵戶座飛船、鷹飛船和中國新一代飛船屬星際飛船之列，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？

星際飛船要離開地球引力場，前往另一個星球，支持人類在那里進行的載人探索活動，然后把航天員從那顆星球的引力場帶回，重返地球大氣層，安全地回到地面。

大家都知道，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，也需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，防護程度要比我們所熟悉的聯盟飛船和神舟飛船更高。

另外，從外星球返回地球時，根據能量守恒原則，星際飛船還是會以第二宇宙速度接觸地球大氣層，這就意味著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，但是在質量相同的情況下，飛行產生的能量要比以第一宇宙速度多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。

這些都對星際飛船提出了很高的研制要求，也就決定了星際飛船的研制難度大、投資高、周期長，沒有國家支持就無法實現。商業公司即使得到國家的有限資助，也不可能承擔如此之高的綜合成本。事實上，商業公司能夠把低軌道飛船造出來就很不容易了。

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。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，載人飛行的前景非常樂觀。

值得一提的是，此前，俄羅斯的鷹飛船為人們展示了一個具有較高可行性的方案，頗受關注。可由于種種原因，鷹飛船距離成功發射應該還有很長的一段路要走。