飛船可重復(fù)使用，都有哪些門道？

我國近期試驗(yàn)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(fù)使用。事實(shí)上，目前世界上正在研制的5種載人新飛船都是瞄準(zhǔn)可重復(fù)使用這個(gè)目標(biāo)去的。

那么，這些新飛船為了可重復(fù)使用都做了哪些努力？

防護(hù)是“重復(fù)使用”的關(guān)鍵

目前世界上正在研制的載人飛船一共有5種，它們?nèi)际敲闇?zhǔn)可重復(fù)使用這個(gè)目標(biāo)而去的。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。

美國獵戶座飛船

美國載人龍飛船

美國星際線飛船

俄羅斯鷹飛船中國新一代載人飛船
載人飛船要想做到可重復(fù)使用，需要討論兩個(gè)方面的問題。

首先是飛船各種分系統(tǒng)能不能經(jīng)受得住起飛和再入時(shí)的嚴(yán)重沖擊，特別是結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)會(huì)不會(huì)因?yàn)榉磸?fù)飛行而存在“暗傷”。哪怕一點(diǎn)小小的裂紋，也會(huì)在撞擊空氣的那一瞬間釀成大禍。

第二個(gè)方面是飛船的熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。到底是使用每次飛行都更換的燒蝕材料呢，還是使用可以反復(fù)用而無需更換的隔熱瓦呢？

當(dāng)年的航天飛機(jī)就選擇了后一種技術(shù)路線，其外表面布設(shè)的碳基復(fù)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(jī)正是因?yàn)楦魺嵬弑辉页鲆粋€(gè)裂紋而失事，但這很大程度上不是隔熱瓦的錯(cuò)，而是總體設(shè)計(jì)的問題——美國宇航局不該把航天飛機(jī)和外置燃料罐設(shè)計(jì)成平齊的構(gòu)型，以至于頂部脫落的防熱泡沫磚可以砸到機(jī)翼。如果航天飛機(jī)是頂在燃料罐上方，并且被整流罩保護(hù)起來的話，應(yīng)該就不會(huì)出現(xiàn)這種問題。

航天飛機(jī)表面的隔熱瓦

因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)在原理上是沒毛病的，所以美國空軍在目前正在使用的X37B空天飛機(jī)上，也采用了和航天飛機(jī)一樣的多次使用隔熱瓦和防熱設(shè)計(jì)。不過由于X37B空天飛機(jī)是一種無人飛行器，而且只需要從低軌道返回地球，所以運(yùn)用這種防熱設(shè)計(jì)的一大缺點(diǎn)是它每次返回都需要進(jìn)行繁瑣的檢查、維護(hù)，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(fù)使用的隔熱瓦。這就是獵戶座飛船、鷹飛船和中國新一代飛船的熱防護(hù)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住這么高的熱沖擊。就算人們能設(shè)計(jì)一種可重復(fù)使用的隔熱瓦，制造、使用和維護(hù)成本恐怕也非常高，可靠性也沒有經(jīng)過驗(yàn)證。因此，這3種飛船都采用了一次性使用的燒蝕材料熱防護(hù)罩。

不過大家也發(fā)現(xiàn)了，獵戶座飛船多少還是繼承了航天飛機(jī)的一些思想。比如它用970塊瓦狀的燒蝕材料構(gòu)成了一個(gè)覆蓋飛船外表面的熱防護(hù)罩。這樣的設(shè)計(jì)對制造有利（如果在發(fā)射準(zhǔn)備過程中發(fā)現(xiàn)有部分破損，只要更換壞瓦即可，無需更換整個(gè)防熱罩），但也帶來了安裝/拆卸過程繁瑣、耗時(shí)長等問題。

鷹飛船的熱防護(hù)系統(tǒng)細(xì)節(jié)尚未披露。中國新一代飛船則采用了新型材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在官網(wǎng)上說：“新一代載人飛船試驗(yàn)船熱防護(hù)系統(tǒng)首次采用我校與北京衛(wèi)星制造廠有限公司聯(lián)合研發(fā)的新型超輕質(zhì)低燒蝕防隔熱一體化復(fù)合材料技術(shù)方案，與傳統(tǒng)AVCOAT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(hù)系統(tǒng)承受住了再入返回過程中最高2000攝氏度以上的高溫?zé)g……”

新一代載人飛船返回艙的金屬結(jié)構(gòu)與防熱結(jié)構(gòu)分開

載人龍飛船的熱防護(hù)系統(tǒng)就有點(diǎn)意思了。該飛船的熱防護(hù)系統(tǒng)并不是SpaceX公司自己研制出來的，而是早年間，一家叫馬丁·瑪麗埃塔的公司研制的碳/酚醛燒蝕材料，曾用在星塵號小行星探測器上。美國宇航局阿姆斯中心倒貼了不少研制費(fèi)，把這種技術(shù)送給了SpaceX公司。貨運(yùn)龍飛船的實(shí)際飛行證明，這種材料和整個(gè)防熱方案的表現(xiàn)不錯(cuò)。

波音公司幾乎很少討論星際線飛船的防熱設(shè)計(jì)問題，實(shí)際上對此感興趣的人也不是很多。其中的理由很簡單，星際線飛船幾乎就是照著阿波羅飛船的外形研制的。而且阿波羅是星際飛船，作為低軌道飛船的星際線飛船的熱防護(hù)需求肯定還是要比阿波羅飛船低得多，那么直接沿用阿波羅方案就足夠了。

“重復(fù)”對星際飛船要求高

從上述5種飛船的情況來看，我們可以把它們分成星際飛船與低軌道飛船；也可以把它們分成“國家隊(duì)”飛船和商業(yè)飛船。

先按上面所說的星際飛船與低軌道飛船來分類。

在這個(gè)門類當(dāng)中，獵戶座飛船、鷹飛船和中國新一代飛船要被歸入星際飛船之列，而載人龍飛船和星際線飛船則無緣進(jìn)入。那么，這兩類飛船有什么區(qū)別呢？

美國獵戶座載人飛船返回艙

星際飛船就是要離開地球引力場，前往另外一個(gè)星球，支持人類在那里進(jìn)行的載人探索活動(dòng)，然后再把航天員從那顆星球的引力場帶回地球，再入大氣層，安全地回到地面。

大家都知道，宇宙飛行有第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。只要能夠滿足第一宇宙速度，飛船就可以把人類送進(jìn)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而已，也要達(dá)到第二宇宙速度。

這就帶來了兩個(gè)問題。首先，離開地球引力場和地球電離層的保護(hù)之后，航天員所面臨的宇宙輻射風(fēng)險(xiǎn)就更嚴(yán)重了。所以星際飛船必須為航天員提供更好的輻射防護(hù)，要比我們所熟悉的聯(lián)盟飛船和神舟飛船更強(qiáng)。

另外，從外星球返回地球的時(shí)候，根據(jù)能量守恒原則，它還是會(huì)以第二宇宙速度接觸地球大氣層，這就意味著其要面臨更劇烈的氣動(dòng)加熱。雖然第二宇宙速度在數(shù)值上只比第一宇宙速度多了3.3公里/秒，但是能量和速度的平方成正比，這也就意味著，如果考慮各質(zhì)量相同的物體，當(dāng)它以第二宇宙速度再入時(shí)，能量要比以第一宇宙速度再入多了1倍。這就要求星際飛船的熱防護(hù)能力要比低軌道飛船強(qiáng)得多。

上面提到對于星際飛船的要求帶來了很高的研制難度，這也就決定了第二種分類的情況和第一種分類完全一樣。導(dǎo)致兩種分類完全重合的情況也很容易理解，星際飛船的研制難度大、投資高、周期長，沒有國家支持是不可能研制出來的。私營公司即使得到國家的有限資助，也不可能承擔(dān)如此之高的綜合成本。事實(shí)上，私營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(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)飛行和逃逸救生實(shí)驗(yàn)。載人龍飛船不但進(jìn)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(tǒng)經(jīng)受住了考驗(yàn)。中國的新一代飛船剛剛實(shí)施了一次成功的無人飛行。據(jù)悉，該飛船的主要分系統(tǒng)表現(xiàn)出色，還進(jìn)行了3D打印等空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，載人飛行的前景是非常樂觀的。

載人龍飛船逃逸試驗(yàn)

值得一提的是，此前，俄羅斯的鷹飛船為人們展示了一個(gè)具有較高可行性的方案，對此大家給予了高度的關(guān)注?？捎捎诜N種原因，鷹飛船距離成功發(fā)射應(yīng)該還要有很長的一段路要走。