中國(guó)可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器

我國(guó)于2020年9月4日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，利用長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭，成功發(fā)射一型可重復(fù)使用的試驗(yàn)航天器，在軌飛行2天后，成功返回預(yù)定著陸場(chǎng)。這次試驗(yàn)的圓滿成功，標(biāo)志著我國(guó)可重復(fù)使用航天器技術(shù)研究取得重要突破。

一、基本介紹

（一）釋義

可重復(fù)使用航天器是指可以重復(fù)使用的、能夠迅速穿越大氣層,自由往返于地球表面與太空之間,運(yùn)送航天員和有效載荷;也可以指較長(zhǎng)時(shí)間在軌停留和機(jī)動(dòng)、完成各種任務(wù)的航天器。

常見(jiàn)的可重復(fù)使用航天器主要包括：載人飛船、貨運(yùn)飛船、推進(jìn)飛行器、行星著陸器、航天飛機(jī)等。

（二）優(yōu)點(diǎn)

隨著載人航天活動(dòng)規(guī)模的擴(kuò)大,人類在太空居住與生存的時(shí)間變長(zhǎng),承擔(dān)運(yùn)輸?shù)暮教炱鞯陌l(fā)射頻次逐漸變高。而高昂的成本是制約載人航天任務(wù)發(fā)展的主要因素。航天器的低成本運(yùn)營(yíng)已成為未來(lái)載人航天發(fā)展的必然要求，發(fā)展可重復(fù)使用航天器技術(shù)成為降低成本的重要手段之一。

二、可重復(fù)使用航天器發(fā)展概況

由美國(guó)人埃隆·馬斯克(Elon Musk)研制的超重火箭構(gòu)成的“星艦”系統(tǒng)是最新一代的完全可重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)。每次發(fā)射后，超重火箭均可以順利返回地面。波音公司(美國(guó)航空航天制造公司)與NASA(National Aeronautics and SpaceAdministration,簡(jiǎn)稱NASA)合作開(kāi)發(fā)的載人飛船“星際客船”，具備重復(fù)使用能力，最多可使用10次，以6個(gè)月為周期實(shí)現(xiàn)復(fù)飛?！矮C戶座”飛船在美國(guó)“阿爾忒彌斯”計(jì)劃中承擔(dān)了關(guān)鍵的乘員地月往返運(yùn)輸功能。這種飛船的乘員艙可重復(fù)使用，最多可執(zhí)行10次飛行任務(wù)。

俄羅斯“雄鷹”載人飛船可在軌自主飛行近30天，也可在軌駐留近1年的時(shí)間。在執(zhí)行短期地月往返飛行任務(wù)時(shí)可重復(fù)使用10次，在執(zhí)行長(zhǎng)期與繞月軌道站對(duì)接任務(wù)時(shí)，飛船可重復(fù)使用不少于3次。

三、可重復(fù)使用航天器的關(guān)鍵技術(shù)

（一）重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)構(gòu)建

重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的構(gòu)建通常較為復(fù)雜，大致可以分為三個(gè)部分:一是傳統(tǒng)運(yùn)載火箭構(gòu)型重復(fù)使用,一般包括運(yùn)載火箭助推/子級(jí)回收和垂直起降運(yùn)載火箭;二是火箭動(dòng)力重復(fù)使用, 如升力式構(gòu)型運(yùn)載器;三是組合動(dòng)力重復(fù)使用, 如火箭基組合循環(huán)。

（二）可重復(fù)使用熱防護(hù)技術(shù)

航天器飛行速度越來(lái)越高，氣動(dòng)加熱問(wèn)題日益嚴(yán)重。因此新一代可重復(fù)使用航天器要求熱防護(hù)系統(tǒng)滿足耐更高高溫、抗燒蝕、可重復(fù)使用、高效隔熱、高可靠性以及低成本等要求。

（三）基于數(shù)字雙框架的航天器結(jié)構(gòu)壽命跟蹤系統(tǒng)

航天器可重復(fù)使用的特性使航天器在兩次飛行之間的結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)估成為需要解決的問(wèn)題。因此需要利用一種用于航天器結(jié)構(gòu)壽命跟蹤的數(shù)字雙框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)工程系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬、監(jiān)測(cè)、診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)和優(yōu)化操作。

四、中國(guó)可重復(fù)航天器研究意義

（一）戰(zhàn)略意義

X-37B軌道試驗(yàn)飛行器標(biāo)志著美國(guó)距離“空天飛機(jī)”的成功已經(jīng)很近, 而它的出現(xiàn)及應(yīng)用將對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生深刻影響。在當(dāng)前的戰(zhàn)略機(jī)遇期,中國(guó)需緊跟先進(jìn)國(guó)家在關(guān)鍵領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)和進(jìn)展, 加強(qiáng)可重復(fù)航天器關(guān)鍵技術(shù)研究攻關(guān)和裝備研制, 借此提升國(guó)家進(jìn)入空間、利用空間和控制空間的能力。

（二）科技意義

可重復(fù)使用航天器的發(fā)展不僅會(huì)提升我國(guó)自主進(jìn)入空間的能力, 加快我國(guó)運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的腳步, 助力我國(guó)向世界航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)；勢(shì)必也會(huì)帶動(dòng)高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、高精度制導(dǎo)控制、先進(jìn)空天動(dòng)力、耐高溫輕質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)制造、重復(fù)使用評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)學(xué)科和工程技術(shù)水平的整體提升。

參考資料：

[1]我國(guó)成功發(fā)射可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器.新華網(wǎng). 2020.09.04

[2]我國(guó)可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器成功著陸.新華網(wǎng).2020.09.06.

[3]李志杰,果琳麗,張柏楠,戚發(fā)軔.可重復(fù)使用航天器任務(wù)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].載人航天,2016,22(05):570-575.

[4]馬斯克的星艦原型SN5低空跳躍試飛成功！火星夢(mèng)想又近一步.澎湃新聞.2020.08.05

[5]何慧東,苑藝.國(guó)外載人飛船情況一覽[J].國(guó)際太空,2020(05):11-13.

[6]楊詩(shī)瑞.可重復(fù)使用航天器:追求低成本未來(lái)值得期待[J].太空探索,2018(06):19-21.

[7]周印佳,張志賢.航天器可重復(fù)使用熱防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].航天返回與遙感,2019,40(05):27-40.

[8]Ye Yumei,Yang Qiang,Yang Fan,HuoYanyan,Meng Songhe. Digital Twin for the Structural Health Management ofReusable Spacecraft: A Case Study[J]. Engineering FractureMechanics,2020(prepublish).

[9]李怡勇,李智,張睿,王磊,史金霞.美空軍X-37B軌道飛行試驗(yàn)分析[J].飛航導(dǎo)彈,2013(08):87-92.

[10]楊詩(shī)瑞.可重復(fù)使用航天器:追求低成本未來(lái)值得期待[J].太空探索,2018(06):19-21.