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陈蓝:可复用航天运载工具中国能后来居上吗? - 行业技术-钢市纵

时间:2022-09-23编辑: admin 点击率:

  8月26日,新华社报道,由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。

  据悉,飞行试验采用的运载器,经健康检测维护后,在酒泉卫星发射中心再次点火垂直起飞,按照设定程序完成亚轨道飞行,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,成功实现我国亚轨道运载器的首次重复使用飞行。本次飞行试验的圆满成功,有力推动了我国航天运输技术由一次性使用向重复使用的跨越式发展。

  更早些的8月5日,新华社报道,我国在酒泉卫星发射中心,运用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器,这是长征二号F运载火箭第18次执行发射任务。试验航天器将在轨运行一段时间后,返回国内预定着陆场,其间,将按计划开展可重复使用和在轨服务技术验证,为和平利用太空提供技术支撑。

  8月26日的发射是同一个飞行器的第二次试飞。首飞是在去年7月16日,当时也有报道。那么这个“升力式亚轨道运载器”到底是什么呢?根据多方面的公开资料判断,这个飞行器应该是航天科技集团规划的的三步走可重复使用运载系统的第一步——“火箭动力部分重复使用运载器”的第一级。

  这个发射系统的第一级简单说就是一架火箭飞机,但它是垂直发射并能接近或超过100公里高度的卡门线,所以也可以称为亚轨道航天飞机。而它的第二级则是常规的一次性火箭。它被捆绑在火箭飞机的侧面一起发射。当到达亚轨道弹道顶端时,第二级火箭分离点火,带着有效载荷飞往预定轨道。而第一级火箭飞机则再入滑翔返回,在大气层中进行一定的机动,最后在跑道降落。

  这个发射系统的关键技术包括第一级的亚轨道飞行器和第二级火箭的分离和点火,但主要难点都在前者。复飞成功,表明航天科技集团已经克服了所有难点,完全掌握了大型有翼亚轨道飞行器发射、再入、自主飞行和返回的相关技术,具有重大意义。如果一切顺利,下一步就应该是两级的轨道发射了。

  那么8月5日的发射又是什么呢?它和可重复使用运载器有关联吗?我们知道,这次也是我国“可重复使用试验航天器”的第二次发射。它于2020年9月4日首飞,由长征2F火箭送入轨道,2天后成功返回。显然,它本身不是运载器,而是一架能进行轨道飞行的小型无人航天飞机,就是中国的X-37B。

  我们在航天科技三步走的路线图上看到,第二步和第三步的全复用运载器的第二级就是一架带动力的小型航天飞机。目前太空中飞行的中国航天飞机尺寸还比较小,没有配备入轨所需的动力系统,还不能直接用作运载系统的第二级。但它为实现两级发射系统的全复用奠定了良好的技术基础。

  那么,我国的可复用运载器和马斯克SpaceX的猎鹰九号及星舰相比,哪个技术更先进、成本更低廉、竞争力更强?必须说,可复用航天运载系统有不同的技术途径,各有优劣,在不同的发展阶段,比较结果也不一样。而我国除了前面介绍的这个火箭动力两级部分复用系统外,几乎涉足了所有不同的技术路线。下面按三种起降方式做一个简单介绍。

  这是目前最成功、也是成熟的方式,代表作就是SpaceX的猎鹰九号。但猎鹰九号未达到全复用的目标,目前只实现了一级复用和偶尔的整流罩复用。其实在SpaceX诞生之前,美国Kistler公司采用伞降加气囊着落方案的K-1全复用火箭(1994-2010)已经接近成功。

  第一枚火箭已经制造出来,但资金链断裂断送了它的前途。SpaceX的星舰将首次实现两级全复用。如果轻质高强材料和发动机比冲取得长足进步,单级入轨可复用火箭在技术上也是可能的。美国民营公司的Roton全复用单级火箭(1996-2001)曾做过有益的探索。它的全尺寸大气试验机作为雕塑留在了莫哈维沙漠,记录了这段历史。

  中国最早探索的可复用火箭也是这个方式的。上世纪90年代末,中国采用伞降加气囊的两级可复用火箭方案就已经出现在论文上。SpaceX猎鹰九号对中国是压力,也是加速研制的动力。长征八号回收型、长征六号X、民营公司的智神星一号、双曲线二号和三号目前都在紧锣密鼓地研制。甚至,在长征九号2022最新版上也看到了星舰的影子。相信用不了几年,我们将会追上猎鹰九号的水平。

  垂直起降方案的优点在于能充分利用现有成熟的火箭技术。由于垂直受力为主,结构和气动都能做到最简最优。但它无法利用大气升力,需要携带大量氧化剂,运载效率低下的问题无法根本解决。燃烧大量化石燃料导致的环保问题是另一个重大缺陷。即使星舰获得成功,甚至未来实现单级入轨,这些问题依然存在。

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