“可重復(fù)使用航天器”是何神器？

李會超

2020年9月4日，我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射“可重復(fù)使用航天器”，在軌道飛行兩天后，此航天器于9月6日成功返回預(yù)定著陸場，實驗圓滿成功。這標志著我國可重復(fù)使用航天器技術(shù)研究取得重要突破，可為宇航員往返太空提供更便捷、廉價的方式。

“可重復(fù)使用航天器”究竟是何方神器呢？簡而言之，它就是宇宙飛船。從誕生到現(xiàn)在，可重復(fù)使用航天器曾有過不止一種類型。

由X-15開創(chuàng)的空天飛機技術(shù)

為什么要發(fā)展可重復(fù)使用航天器技術(shù)呢？舉個例子，我們?nèi)缃癯鲂谐ｉ_汽車，但如果汽車只能用一次就得報廢，想第二次開車就得再買一輛新車的話，相信誰都開不起汽車這種東西。而早期傳統(tǒng)的航天器就是一次性的。所以從太空時代剛剛開始，人類就一直致力于研制可以重復(fù)使用的航天器，最早可以追朔到上世紀60年代美國的X-15試驗飛行器。

上世紀50年代末，人類在同時探索兩種進入太空的方式，一種是利用運載火箭從地面將飛船發(fā)射到近地軌道，這種方式和我們今天常見的太空飛行方式類似，且在被提出不久后便取得了成功，得到大規(guī)模的應(yīng)用；另一種則是將在稠密大氣之內(nèi)飛行的飛機改造成能夠在超高空飛行甚至進入太空亞軌道的飛機，這是目前仍在發(fā)展的空天飛機的雛形。X-15便是空天飛機的最早嘗試。

在大氣層內(nèi)飛行的飛機，裝備的是與空氣相互作用獲得推力的發(fā)動機，因而在大氣稀薄的超高空飛行時，這種發(fā)動機無法產(chǎn)生足夠的推力，空氣中的氧氣也無法維持發(fā)動機運轉(zhuǎn)。因此，X-15采用了液體火箭發(fā)動機，以酒精（后期改進為無水氨）和液氧為推進劑，混合燃燒后從發(fā)動機尾部噴管中高速噴出，推進飛機飛行的能量和動量都來自于推進劑本身，能夠為X-15提供數(shù)百千牛的推力。

此外，傳統(tǒng)飛機靠其專用翼面與空氣相互作用，于空氣充足的高空自由翱翔；但在稀薄的大氣中飛行時，傳統(tǒng)飛機的翼面也沒有足夠的空氣來發(fā)揮作用。因此，X-15采用了反沖控制系統(tǒng)，利用小型高比沖發(fā)動機在各個方向施加的推力，控制飛機的飛行姿態(tài)。

X - 1 5的機翼經(jīng)過空氣動力學(xué)特別設(shè)計，可以讓其在超高音速的飛行狀態(tài)下保持穩(wěn)定。不過，X-15并不通過自身的動力從機場起飛，而是先搭乘B-52轟炸機到達13000米高空，然后再脫離B-52，利用火箭發(fā)動機進一步提高自己的速度和高度，開始自主飛行。X-15的最高飛行高度為108千米，而一般的戰(zhàn)斗機升限高度僅在20千米左右，民航飛機則更低。X-15還飛出了相當驚人的2.02千米/秒的最快飛行速度。

雖然火箭發(fā)射航天器的成功，迫使X-15不得不下馬，但是這種飛行器驗證了在大氣層與太空邊界的臨近空間飛行的可能性。目前美軍正在進行測試的X-37B空天飛機，和各國未來的空天飛機計劃，都與X-15的試驗有聯(lián)系。母機空中釋放的發(fā)射方式也為后來的飛行器、航天器所采用。

升力體飛行器與航天飛機

升力體飛行器是另一種可重復(fù)使用航天器采用的方案。

飛機通過固定翼翼面與大氣相互作用產(chǎn)生升力，而升力體飛行器則利用自身特別的外形在機身上直接產(chǎn)生升力。研發(fā)升力體飛行器的目的，主要在于希望能解決載人航天器在返回大氣層時的控制問題。

在上世紀六七十年代，美國的“阿波羅”飛船和蘇聯(lián)的“聯(lián)盟”飛船都被設(shè)計為太空艙構(gòu)型。太空艙在返回地面時，基本無法控制自己的飛行軌跡，只能沿著脫離軌道時進入的彈道落地。而升力體飛行器則可以在返回地面的過程中實現(xiàn)可控飛行，降落到預(yù)定的機場，或臨時調(diào)整到備降場地。這就實現(xiàn)了從“聽天由命”到“我命由我不由天”的質(zhì)的轉(zhuǎn)變！

最有代表性的升力體飛行器是美國的X-24A、X-24B、M2-F3、HL-10等試驗飛行器，這些升力體飛行器的尾部仍然保留了機翼，但并非用于獲取升力，而是用于穩(wěn)定和控制飛行姿態(tài)。在試驗過程中，這些飛行器同樣采用先搭乘母機到高空，然后以火箭發(fā)動機等自身動力進行飛行的方式。在航天飛機計劃發(fā)展過程中，航天飛機軌道器本來有可能采取升力體結(jié)構(gòu)，但后來工程師們發(fā)現(xiàn)升力體外形無法與航天飛機必須配備的燃料箱較好地綁定在一起，因此放棄了對升力體方案的使用，轉(zhuǎn)而采用三角翼方案。

1 9 6 9年，升力體飛行器X-24A進行了一次無動力再入試驗，當它從母機釋放后不打開發(fā)動機，僅通過滑翔飛行的方式降落在機場上，這正是航天飛機返回地面時所使用的方式。X-24A的這次試驗取得了成功，為航天飛機計劃的開展鋪平了道路。

進入新世紀后，一些新研發(fā)的載人航天飛行器采用了升力體飛行器的構(gòu)造，以使返回過程變得較為可控且損耗較低，進而實現(xiàn)飛行器的可重復(fù)使用。2010年，美國內(nèi)華達山脈公司借助NASA“商業(yè)載人航天計劃”的資助，開始了“追夢者”飛船的研發(fā)。按照設(shè)計方案，這種飛船每次可以搭載3-7名宇航員，也可以經(jīng)過改裝后用于貨運飛行。在發(fā)射時，飛船將被安裝在大力神5等大推力火箭頂部進入太空；而返回時，則可以通過自身升力體的外形自主著陸。但這種外形酷似小號航天飛機的飛行器，在經(jīng)過NASA兩輪資助后，最終未能入選商業(yè)載人航天計劃的首批飛船之列。不過，內(nèi)華達山脈公司已經(jīng)拿到了未來幾年的空間站貨運飛行合同，升力體飛行器也有望實現(xiàn)真正的太空飛行。

艙體式飛船被再度重視

在航天飛機出現(xiàn)前，人們主要使用由多個艙體構(gòu)成的飛船進行載人飛行；航天飛機計劃成功實施后，一度有取代艙體式飛船的趨勢。在航天飛機設(shè)計之初，人們曾經(jīng)憧憬航天飛機機隊維持每年50次以上飛行的出勤率，每次飛行只需耗費低至數(shù)百萬美元的飛行成本；每艘航天飛機在完成一次任務(wù)后，僅有1%的部件需要更新，且經(jīng)過兩個星期的整備就能重返太空，核心發(fā)動機可以使用數(shù)十次。

然而，實際情況卻是航天飛機每次飛行后的實際維護工作遠高于預(yù)期，需要消耗約2000小時來更換大量的部件，飛行維護成本也隨之一飛沖天。

在吸取了航天飛機結(jié)構(gòu)功能過于復(fù)雜的教訓(xùn)后，各國的設(shè)計師們都認識到，載人航天器的主要用途是作為航天員往返天地的運輸工具，不應(yīng)在載人之外賦予其太多的其他功能。因此，在設(shè)計新一代飛船時，他們不約而同地又采用了艙體式飛船的總體設(shè)計方案，賦予了新飛船可重復(fù)使用的功能。

以可重復(fù)使用航天器為主要“賣點”的美國SPACEX公司，在之前獲得成功的貨運型龍飛船的基礎(chǔ)上，設(shè)計了載人型龍飛船。經(jīng)過多輪PK后，載人型龍飛船成為了NASA商業(yè)載人航天計劃的首批飛船，并于2020年5月30日執(zhí)行了自航天飛機停飛后美國載人航天的首次復(fù)飛任務(wù)。載人型龍飛船一次最多可以將7名宇航員送入太空，在不對接的情況下可以獨立在太空中飛行一周。按照SPACEX對外公布的信息，載人型龍飛船可重復(fù)使用約10次。

波音公司的CST-100星際客機是商業(yè)載人航天計劃的另一種飛船，同樣具備可回收重復(fù)使用的能力，設(shè)計的最大重用次數(shù)在10次左右。在返回地面的過程中，這種飛船的乘員艙底部防熱罩將在約1500米高度時被拋棄，露出布置在防熱罩內(nèi)的緩沖氣囊。在落地前，緩沖氣囊將充氣展開，為落地提供緩沖。

NASA自行研制的下一代載人“獵戶座”飛船，也是一種具有重復(fù)使用能力的飛船。與主要用于往來地面和國際空間站的龍飛船及CST-100飛船不同，“獵戶座”瞄準載人登月乃至登陸火星，具備以第二宇宙速度直接再入大氣層的能力，艙體將會具備可以應(yīng)對深空中更加惡劣環(huán)境的防輻射性能。

2020年5月，我國成功發(fā)射和返回的新一代載人飛船試驗船，返回艙也是可重復(fù)使用的。它采用金屬結(jié)構(gòu)與防熱結(jié)構(gòu)分開的設(shè)計方式，返回后只需要更換防熱結(jié)構(gòu)即可，金屬結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)設(shè)備能重復(fù)使用。這種新一代載人飛船能夠以第二宇宙速度再入大氣層，還能在返回過程中克服電離氣體形成的“黑障”現(xiàn)象，使飛船與地面始終保持聯(lián)系。