過于先進(jìn)無法展示！備受關(guān)注的“可重復(fù)使用航天器”到底是啥？

“可重復(fù)”是降低航天發(fā)射成本的重要途徑，相關(guān)技術(shù)經(jīng)歷過漫長的探索。在可預(yù)見的未來，我們或許能見證沖向宇宙的中國空天飛機(jī)。

撰文/記者 段然****編輯/丁林 新媒體編輯/王姍
近日，就在所有航天愛好者的目光聚焦在天舟六號貨運(yùn)飛船震撼首秀之時(shí)，一艘被稱為“可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器”的小型飛船悄然返回了地面。據(jù)報(bào)道，這型航天器由長征2F運(yùn)載火箭發(fā)射升空，在經(jīng)歷了長達(dá)276天的在軌飛行后成功返回。

從簡短的文字報(bào)道中，不少航天發(fā)燒友聯(lián)想到美國的X-37B和一系列“空天飛機(jī)”的概念設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步引申到未來太空旅行的無限暢想上。但大部分人對“可重復(fù)使用航天器”這一概念充滿著疑惑，這與我們熟知的載人飛船與航天飛機(jī)有何區(qū)別呢？

高昂的航天發(fā)射成本

載人航天的使命，除了將航天員順利送上太空，還要在任務(wù)結(jié)束后將其平安送回地面。迄今為止，除了美國的航天飛機(jī)以及部分尚在試驗(yàn)中的新型飛船，目前絕大多數(shù)的現(xiàn)役飛船都是一次性載具，它們依然延續(xù)著加加林時(shí)代飛船的特征：一次任務(wù)結(jié)束后飛船即宣告報(bào)廢。在將航天員平安送回地面后，大部分部件只能在再入大氣層中被焚毀，唯一能回收的返回艙也最多只能被當(dāng)作展品供人參觀。這就帶來一個(gè)嚴(yán)重的問題：由于任務(wù)結(jié)束后飛船不能重復(fù)利用，每次執(zhí)行載人航天任務(wù)都要重新制造新飛船，由此帶來的發(fā)射成本是極為高昂的，也極大影響著載人航天任務(wù)的效率。高昂的成本，繁瑣的程序，促使人們尋求新的載具方案。于是，“可重復(fù)使用航天器”（Reusable Spacecraft）的概念開始形成。早在上世紀(jì)60年代，美國國家航空航天局（NASA）就開始論證多個(gè)可重復(fù)使用航天器方案，最終“航天運(yùn)輸系統(tǒng)”方案獲得資助，這種融合了飛機(jī)啟動(dòng)布局設(shè)計(jì)的方案在后來發(fā)展成人們耳熟能詳?shù)摹昂教祜w機(jī)”——如火箭一樣升空，如飛機(jī)一樣降落。

▲2007年， “發(fā)現(xiàn)”號航天飛機(jī)執(zhí)行STS-120發(fā)射任務(wù)（圖片來源：NASA）

相比于常規(guī)的載人飛船，航天飛機(jī)的優(yōu)勢是巨大的：國際空間站的主力載具、第四代“聯(lián)盟”飛船MS型一次最多只能搭載3名成員或者有限的貨物，平均每年3.5次的發(fā)射頻率才能滿足國際空間站的運(yùn)輸需求。而航天飛機(jī)一次可將7名航天員送入軌道，同時(shí)巨大的貨艙賦予了它巨大的運(yùn)輸能力。最重要的是：航天飛機(jī)可以再次升空投入使用，比如“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機(jī)在其27年的服役生涯中先后升空39次，運(yùn)送航天員達(dá)252人次，在傳統(tǒng)的載人飛船面前表現(xiàn)出超高的使用效率。盡管如此，航天飛機(jī)作為人類第一款可重復(fù)使用的航天器，最終還是退出了歷史舞臺(tái)，國際空間站的運(yùn)輸任務(wù)還是由聯(lián)盟MS這樣的“老同志”來承擔(dān)。這是怎么回事呢？其實(shí)還是卡在了成本上面：林林總總算下來，航天飛機(jī)平均發(fā)射一次就要花掉差不多8億美元，而原本預(yù)想中的高出勤率也沒有實(shí)現(xiàn)，由于維護(hù)工作過于復(fù)雜，航天飛機(jī)的發(fā)射周轉(zhuǎn)周期非常長，歷史上最短的發(fā)射間隔也高達(dá)54天……這樣又貴又慢的航天器逐漸趕不上時(shí)代的要求了。

▲2008年，在完成發(fā)射任務(wù)后被推入廠房進(jìn)行維護(hù)的“亞特蘭蒂斯”號航天飛機(jī)（圖片來源：scienceblogs.com）

價(jià)廉高效的“龍”飛船

航天飛機(jī)雖然風(fēng)光不再，但發(fā)展可重復(fù)使用航天器，依然被視為解決航天發(fā)射任務(wù)成本問題的主要途徑。埃隆·馬斯克領(lǐng)導(dǎo)的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）除了致力于開發(fā)獵鷹系列可回收運(yùn)載火箭以降低發(fā)射成本，也將目光集中在新一代可重復(fù)使用航天器的研制上。2006年，SpaceX推出了“龍”貨運(yùn)飛船，外形是基于傳統(tǒng)飛船的鈍錐形彈道膠囊外形而設(shè)計(jì)，雖然單次發(fā)射成本比“聯(lián)盟”昂貴，但載貨能力是后者的兩倍，而且自航天飛機(jī)之后，“龍”飛船再次實(shí)現(xiàn)了航天器的重復(fù)使用，這就更有利于進(jìn)一步攤銷成本。在搭配“獵鷹9號”之后，“龍”飛船在10年時(shí)間里先后進(jìn)行了23次發(fā)射，其中18次是對國際空間站的貨運(yùn)任務(wù)。算下來，“龍”飛船的發(fā)射成本只有航天飛機(jī)的不到十分之一。

▲2012年，執(zhí)行CRS-11任務(wù)的“龍”貨運(yùn)飛船張開了巨大的太陽電池帆板（圖片來源：NASA）

在此基礎(chǔ)上，SpaceX又推出了客運(yùn)版本——“龍”飛船2號?！褒垺憋w船2號一次最多可以搭載7名旅客，這已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)年航天飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，而且該飛船設(shè)計(jì)可重復(fù)進(jìn)行10次發(fā)射任務(wù)，這就進(jìn)一步攤銷了發(fā)射成本，若再算上“獵鷹9號”運(yùn)載火箭本身可回收而節(jié)約的成本，“龍”飛船2號平均搭載一名航天員的花銷已經(jīng)降至了2000多萬美元，這種價(jià)廉高效的航天器讓未來往返于地面和空間站間的定期航班成為可能。

▲2019年正在與國際空間站對接的“龍”飛船2號（圖片來源：NASA）

“龍”飛船是一款劃時(shí)代的航天產(chǎn)品，但本身的局限依然不能忽視。它的設(shè)計(jì)畢竟源自傳統(tǒng)的載人飛船，在發(fā)射時(shí)還需要采用發(fā)射架，對發(fā)射地點(diǎn)與天氣的要求依然較高。而且，在任務(wù)結(jié)束再入大氣層后，這種飛船是沒有任何機(jī)動(dòng)能力的。因此還需要地面出動(dòng)搜救人員到預(yù)估的降落地點(diǎn)進(jìn)行回收，這背后的人力物力成本也是不小。況且，在人們暢想的太空旅行中，恐怕沒有人愿意看到每次返回地面都變成搜救現(xiàn)場。

空天飛機(jī)，中國在行動(dòng)

將飛機(jī)的設(shè)計(jì)融入航天器中的想法從未消失。如果航天器能夠如客機(jī)一樣起飛降落，那未來的太空之旅就真會(huì)如普通航班一樣便利。于是，可重復(fù)使用航天器的另一種形態(tài)——空天飛機(jī)出現(xiàn)了。這種航天器兼具了飛機(jī)和載人飛船的特點(diǎn)，在可重復(fù)使用的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)與普通飛機(jī)一樣的起降。其實(shí)，航天飛機(jī)可以看作是空天飛機(jī)理念的“不完全態(tài)”——它在發(fā)射階段只能以傳統(tǒng)方式垂直發(fā)射升空。而空天飛機(jī)研制的難點(diǎn)正在此：飛機(jī)以什么方式進(jìn)入太空？理想的空天飛機(jī)當(dāng)然是以正常起飛的方式，不借助外部火箭助推方式升入太空。但鑒于現(xiàn)今航空航天技術(shù)的局限，目前各國試驗(yàn)中的空天飛機(jī)依然是靠火箭助推升空。比如NASA的“追夢者”微型航天飛機(jī)、X-37B型航天器等。

▲2010年成功完成無人在軌飛行的X-37B航天器（圖片來源：NASA）

當(dāng)然，人們也在嘗試一個(gè)折中的新方案：兩截式空天飛機(jī)。即由一個(gè)大型飛機(jī)形態(tài)載具搭載空天飛機(jī)升入一定高度后將之放飛，然后讓其自主飛入軌道。類似的方案美國曾用“白色騎士”號試驗(yàn)過，這種噴氣動(dòng)力母艦機(jī)曾在高空發(fā)射過名為“太空船1號”的航天器，雖然沒有作軌道飛行，但卻為空天飛機(jī)的未來開辟了一條全新思路。作為日益崛起的航天大國，我國在可重復(fù)使用航天器的研發(fā)方面也頗有建樹，并逐漸走入世界前列。2018年央視曾披露過我國一款兩截式空天飛機(jī)方案模型。在2021年珠海航展的航天科技展廳，名為“騰云工程”的空天飛行器模型引發(fā)高度關(guān)注，從外形上看，這依然是一種兩截式空天飛機(jī)方案。據(jù)介紹，這種商用航天器是可執(zhí)行多次航天發(fā)射任務(wù)的新一代天地往返飛行器，預(yù)計(jì)在2025年完成技術(shù)驗(yàn)證飛行。

▲2021年珠海航展期間，中國航空科工集團(tuán)公開展示的“騰云工程”空天飛機(jī)模型（圖片來源：網(wǎng)易軍事）

此次官宣的“可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器”其實(shí)早在2020年就進(jìn)行過發(fā)射，并在在軌飛行2天后成功返航。根據(jù)官宣信息，這種航天器有可能是一種類似空天飛機(jī)的設(shè)計(jì)方案。而此次該航天器在軌時(shí)間竟達(dá)276天，可見技術(shù)已經(jīng)相對成熟。雖然官方的消息僅是只言片語，但可以想見，在“可重復(fù)使用航天器”這條全新的賽道，中國航天人正在逐步發(fā)力，并開始結(jié)出碩果。或許在可預(yù)見的未來，我們能親眼見到刺破蒼穹、沖向宇宙的中國空天飛機(jī)。

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報(bào) | 北科傳媒

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來源: 科普中央廚房