廉價(jià)、便捷地往返天地，一直是航天技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。近年大出風(fēng)頭的美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)，正是憑借獵鷹九號(hào)火箭的回收和重復(fù)使用，在降低航天成本方面邁出了跨越性的一步。科技日?qǐng)?bào)記者日前從中國(guó)航天科技集團(tuán)公司一院獲悉，該院正聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)機(jī)構(gòu)共同合作研制可重復(fù)使用運(yùn)載器，并計(jì)劃于2020年左右首飛。其最終目標(biāo)不僅能將單位有效載荷的運(yùn)輸成本降低至現(xiàn)有一次性運(yùn)載火箭的十分之一，還能大幅縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，有望像飛機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)航班化的天地往返運(yùn)輸。
資料圖：當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月29日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司SpaceX首席執(zhí)行官伊隆·馬斯克在澳大利亞阿德萊德舉行的第68屆國(guó)際宇航大會(huì)上發(fā)表演講。馬斯克稱，SpaceX的新型火箭BFR時(shí)速最高可達(dá)2.9萬(wàn)公里，我們可以利用它在一個(gè)小時(shí)內(nèi)到達(dá)地球上的任何一個(gè)地方。
一級(jí)“背”著二級(jí)，一天能飛一次
一院研發(fā)中心總體室主任陳洪波在接受科技日?qǐng)?bào)專訪時(shí)介紹，可重復(fù)使用運(yùn)載器，指能利用自身動(dòng)力攜帶人員或有效載荷進(jìn)入預(yù)定軌道，并可從軌道返回地面，可以多次重復(fù)使用的航天運(yùn)輸工具。
根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)，重復(fù)使用運(yùn)載器有多種分類。按照重復(fù)使用的比率，可分為部分重復(fù)使用和完全重復(fù)使用(例如航天飛機(jī)、獵鷹九號(hào)火箭等屬于部分重復(fù)使用，英國(guó)正在研制的“云霄塔”空天飛行器屬于完全重復(fù)使用);按主動(dòng)力形式分為火箭動(dòng)力和吸氣式組合動(dòng)力;按級(jí)數(shù)分為單級(jí)入軌和多級(jí)入軌(一般以兩級(jí)入軌為主);按起降方式分為垂直起飛/垂直降落、垂直起飛/水平降落以及水平起降。
陳洪波表示，我國(guó)正在研制的重復(fù)使用運(yùn)載器兼具航天器和航空飛行器的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)一次性火箭相比，我國(guó)正基于目前的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)讓其實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。2020年左右完成首飛后，還將連續(xù)進(jìn)行數(shù)次飛行，驗(yàn)證其快速再次發(fā)射和重復(fù)使用能力。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局主導(dǎo)的XS-1(試驗(yàn)性太空飛機(jī)，采用垂直發(fā)射、水平著陸模式)也計(jì)劃在2020年完成飛行試驗(yàn)，可以說(shuō)，中美兩國(guó)的可重復(fù)使用運(yùn)載器研發(fā)是“比肩的”。
與獵鷹九號(hào)相比，該運(yùn)載器的組合和回收方式有所不同。陳洪波說(shuō)，獵鷹九號(hào)以及傳統(tǒng)火箭，各子級(jí)是采用串聯(lián)方式。該運(yùn)載器的起飛方式與傳統(tǒng)火箭一樣，都是垂直發(fā)射，但優(yōu)選方案是讓一二級(jí)并聯(lián)組合在一起，一級(jí)“背”著二級(jí)，二級(jí)機(jī)身設(shè)置著有效載荷艙。回收時(shí)，獵鷹九號(hào)一級(jí)是垂直降落于海上平臺(tái)或陸地回收區(qū)域，目前暫未實(shí)現(xiàn)第二級(jí)的回收。而可重復(fù)使用運(yùn)載器的一二級(jí)在完成各自任務(wù)后，將分別返回著陸場(chǎng)，像飛機(jī)一樣水平降落在跑道上。
SpaceX曾宣稱，憑借獵鷹九號(hào)一級(jí)回收，未來(lái)可將航天發(fā)射成本降低80%。我國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器的目標(biāo)與其近似。陳洪波說(shuō)，該運(yùn)載器的設(shè)計(jì)重復(fù)使用次數(shù)在20次以上，初期目標(biāo)是將單位有效載荷運(yùn)輸成本降至目前的五分之一，未來(lái)則有望降至十分之一。
除了降低發(fā)射成本，該運(yùn)載器的發(fā)射周期也將大大縮短。科技日?qǐng)?bào)記者了解到，傳統(tǒng)火箭的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，即使是國(guó)內(nèi)以快著稱的小型火箭“快舟”系列，準(zhǔn)備時(shí)間也需一周左右。而陳洪波透露，該運(yùn)載器將引入航空領(lǐng)域的快速檢測(cè)理念和技術(shù)，力求具備一天一次飛行的能力。
不過(guò)，可重復(fù)使用航天器的終極目標(biāo)，仍是能像飛機(jī)一樣水平起降、可單級(jí)入軌的“空天飛機(jī)”。其為了提高在大氣層內(nèi)的飛行效率，需要用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與火箭形成組合動(dòng)力。科技日?qǐng)?bào)記者了解到，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)研究。但陳洪波表示，該技術(shù)難度極大，預(yù)計(jì)還需要15年左右才能有所突破，具備工程應(yīng)用能力。而火箭動(dòng)力形式目前已經(jīng)比較成熟。
空間站航天員無(wú)需擔(dān)心“斷糧”
從外觀來(lái)看，我國(guó)在研的重復(fù)使用運(yùn)載器與傳統(tǒng)火箭最顯著的區(qū)別，就是其一二級(jí)均帶有飛機(jī)一樣的“翅膀”。
陳洪波表示，為了實(shí)現(xiàn)水平降落回收，一二級(jí)需要有航空器的機(jī)翼，為其在跑道水平著陸時(shí)提供足夠的升力。為此，一院與北京航空航天大學(xué)航空學(xué)院簽訂協(xié)議，雙方將在帶翼航天器彈性載荷設(shè)計(jì)和疲勞載荷譜設(shè)計(jì)方面開(kāi)展深度合作。
載荷設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將決定運(yùn)載器的技術(shù)先進(jìn)性和承載能力。陳洪波說(shuō)，此載荷指的是飛行器在任務(wù)過(guò)程中受力的情況。如果載荷設(shè)計(jì)過(guò)于保守，會(huì)導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)過(guò)重，損失運(yùn)載能力;過(guò)于冒進(jìn)則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計(jì)薄弱，影響飛行安全。為滿足該運(yùn)載器重復(fù)使用、高頻次發(fā)射的需求，必須吸納航空飛行器載荷設(shè)計(jì)的技術(shù)方法。
十九大報(bào)告中指出：“要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。”記者了解到，可重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)代表著世界科技前沿，可帶動(dòng)先進(jìn)材料、先進(jìn)制造、控制、氣動(dòng)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)其應(yīng)用前景極為廣闊。據(jù)介紹，我國(guó)預(yù)計(jì)在2030年前全部完成可重復(fù)使用運(yùn)載器的研發(fā)及相關(guān)飛行試驗(yàn)，屆時(shí)有望成為全世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用運(yùn)載器研制的國(guó)家。
陳洪波說(shuō)，該運(yùn)載器主要面向300至500公里高度的軌道，可滿足未來(lái)“快速、可靠、廉價(jià)”的航天運(yùn)輸需求。例如能承擔(dān)未來(lái)我國(guó)空間站的人員、物資運(yùn)輸任務(wù)，也能滿足軍民兩用的有效載荷發(fā)射需求，還能開(kāi)發(fā)太空旅游等民用產(chǎn)業(yè)。
可以想象，未來(lái)生活在空間站的航天員再也不用擔(dān)心“斷糧”了，更多人也能有機(jī)會(huì)前往太空一覽美景。
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