认真聊一聊中国的“可重复使用试验航天器”_风闻
岂曰分享社-05-08 13:34
今天有一则让人振奋的消息。
要搞清楚这两项试验的意义，我们一起回顾去年8月，那时，我国低调发布了两条消息：
消息一：
8月5日，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。
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。
（就是这个试验航天器，在今天回来了）
消息二：
8月26日，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。
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。
说到航天“可重复使用”技术，很多人会首先想到SpaceX的“猎鹰9号”，这几年，马斯克靠着对火箭的重复使用，极大地降低了发射成本，商业化的道路越走越宽。
但我国对航天“可重复使用”技术的研究也一直没有停止，两大航天巨头——中国航天科技和中国航天科工正在齐头并进，采用与SpaceX不同的技术手段，最终目标不仅能将单位有效载荷的运输成本降低至现有一次性运载火箭的十分之一（“猎鹰9号”的目标为降低至五分之一），还能大幅缩短发射准备时间，有望像飞机一样实现航班化的天地往返运输。
但是，上面两则新闻，还是让人有点云里雾里，这说的是同一个东西吗？
其实，它们说的并不是同一个试验，前者是试验航天器，后者是升力式亚轨道运载器，虽然特点都是可重复使用，但功能却区别很大。
两者是同属一个大系统的子系统，运载器是送航天器进入轨道的运载平台，类似汽车；航天器是最终进入轨道运行的部分，类似乘客。
我们的技术路线，要求不仅仅运载火箭能重复使用，而是航天器和运载器都能够重复使用。因此，先以分别试验的方式逐个击破技术关卡，最后再结合运用实现跨越式发展。
上述两则消息，就是在两端都取得了重大进步！
下面就简单通俗地聊聊这两项技术突破背后的逻辑。
一、可重复使用的升力式亚轨道运载器。
8月26日发射的这个运载器，已经是第二次试飞了，首飞时间是21年7月16日。
21年有过一则新闻，在完成首飞后，国家国防科技工业局官方抖音号“中国军工”发布了相关视频，不过内容只有3行文字和背景音，没有展示具体画面。对此，“中国军工”在评论区称：“过于先进 不便展示”。
当时实现了第一次试飞并成功回收，只是完成了第一步；如今，同一个运载器再一次试飞并再次成功回收，“重复使用”的目的得以实现，整个试验圆满成功，用新闻通稿中的原话来说，取得了跨越式发展。
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，这个飞行器应该是中国航天科技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。
上边这张图就是可重复使用运载系统的“三步走”发展思路。从外观来看，可重复使用运载器与传统火箭最显著的区别，就是带有飞机一样的“翅膀”。
为什么要有翅膀？因为它可以像飞机一样水平降落在地面跑道上。
我们来详细说明一下“三步走”思路。
第一步：火箭动力部分重复使用。通俗说，就是整个火箭动力系统分为两级，只有第一级是可以重复使用的。
这个第一级就是上述的“升力式亚轨道运载器”，可以说成是一架垂直发射的火箭飞机；第二级则是普通的一次性火箭，它被捆绑在第一级的侧面一起发射。（如上图左，第一级背上的小火箭，就是第二级）
当第一级运载器帮助整个系统飞到接近或超过100公里高度的位置（卡门线）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。
第二步：火箭动力完全重复使用。顾名思义，整个火箭动力系统都是可以重复使用的，直接把背上的航天器（如“三步走”图中）送入预定轨道。此时的火箭动力系统仍然是垂直发射的。
美国也曾经尝试过垂直起飞、完全重复使用的技术手段，但现在已经放弃。
第三步：组合动力飞行器。也就是传说中的“空天飞机”，是可重复使用航天器的终极目标，不仅能水平降落，还能像飞机一样水平起飞，并可单级入轨。
水平起飞的好处可太多了。可以省去投资不菲的固定发射场，独立性强（对地面依赖少）、灵活性大，是最接近航空运输的方式；采用吸气发动机的话则可以大大减少氧化剂的消耗（普通火箭携带氧化剂的重量可以占到整体重量的三分之二），做到极低的成本，也更符合环保的理念。
因此，采用吸气式组合发动机的水平起降空天飞机将是未来中美主攻方向。上世纪90年代，由于技术挑战太大，美国取消了单级入轨的X-30空天飞机项目，目前，美国正在开展新的研究计划。
但是，吸气式组合发动机需要用涡轮发动机、冲压发动机与火箭形成组合动力，这项技术难度极大，我国在涡轮发动机上是存在短板的，据专家预计，还需要10年左右才能在应用上有所突破。
此次的复飞试验成功，表明“三步走”的第一步目标已经实现，如果一切顺利，第二步会快马加鞭。
2020年，西安航天动力研究所研制的组合发动机完成了试飞，向“三步走”的第三步也迈出了重要一步。
二、可重复使用的试验航天器。
我们再来看看8月5日发射，今天刚成功返回的可重复使用试验航天器。
其实，这次也是这个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。
由运载火箭送入轨道，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。有些类似于美国的X-37B空天战斗机。
通过多种资料推测来看，这个试验航天器很可能就是上文“三步走”思路中第二步、第三步运载器背上的航天器！
前文说过，我国的技术目标是运载器和航天器都要实现可重复使用，要拆分试验各个击破。8月26日的实验，说明部分重复使用运载器已经成功。
而8月5日的试验，是使用传统运载器将可重复使用航天器送入预定轨道，重点验证航天器的性能。此次试验的成功，说明航天器部分的可重复使用也取得了重大进展，为实现航天两级发射系统的全复用奠定了良好的技术基础。
双剑合璧
这种全复用的系统无疑是更加经济的。
SpaceX“猎鹰9号”在回收火箭时只回收一级，垂直降落于海上平台或陆地回收区域，目前暂未实现第二级的回收。而我国可重复使用运载器的一、二级在完成各自任务后，将分别返回着陆场，像飞机一样水平降落在跑道上，自然比“猎鹰9号”更节约、更便捷。
值得一提的是，这两次发射都是由发射神舟载人飞船的“神箭”——长征二号F运载火箭发射升空的。
从下表可以看出，这是长征二号F运载火箭第18次执行发射任务，这18次里，除了2次可重复使用航天器外，其余全是神舟系列。
未来，我国空间站的人员、物资运输任务，可能都将由可重复使用的两级系统来完成，既经济又高效，甚至还能开发太空旅游等民用产业，想象空间很大。
说到“可重复使用”，就不得不提到“腾云工程”，此工程属于中国航天科工，与上述中国航天科技的2个可重复使用设备，属于技术路线不完全相同的并行（竞争）工程。两家公司、两个独立项目齐头并进，实现双保险。
它的一级为亚轨道空天飞机，二级为水平发射的火箭（或小型航天飞机）。既类似于中国航天科技的第三步，使用了水平起降的“空天飞机”，但又没有实现一次入轨，需要用一次性火箭作为第二级将载荷送入轨道。
目前，中国航天科工已宣布完成冲压组合发动机模态转换飞行验证，计划2025年前完成水平起降（亚轨道）飞行演示验证，2030年进行入轨飞行。
我们希望能看到更多进展，助力我国航天事业“腾云驾雾”。
科学技术的发展、军事领域的布局、人类发展的未来，太空是个绕不开的话题，随着“嫦娥”探月、“天问”探火、“羲和”逐日、“天和”常驻太空，我国航天科技成果竞相涌现，与美国的差距正在逐步缩小，有的领域，比如可重复使用的升力式亚轨道运载器，已经领先美国。
但我们也不得不承认，差距依然存在，比如在垂直起降可重复使用运载器上，美国就具备先发优势，“星舰”的发射虽然失败了，但仍在不断进步完善。2022年12月11日，美国新一代登月计划也迈出了第一步，阿尔忒弥斯1号任务中的猎户座号飞船顺利完成绕月飞行任务，安全降落于加利福尼亚西部的太平洋海面。
另一方面，面对我国的奋起直追，美国也在不断渲染“中国太空威胁论”，无端攻击我国。
我们一向主张合作共赢，要合作，我们欢迎，要对抗，我们不怕。面对美国的指责甚至干扰，我们仰望星空、埋头苦干，只有真正做到了科技自立自强，才不会处处受制于人，才能在关于未来的竞争中走在前面。
相信在不远的未来，浩瀚的太空中会有更多中国身影，我们国家也会和志同道合者一起，带领人类走向星辰大海！
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