可重復使用航天器是何神器?經歷哪些發展過程?專家解答

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北京日報客戶端9月22日消息,據新華社報道,中國在酒泉衛星發射中心成功發射可重復使用航天器,在軌飛行兩天后,航天器于6日成功返回預定著陸場。這次試驗的成功,標志著中國可重復使
北京日報客戶端9月22日消息,據新華社報道,中國在酒泉衛星發射中心成功發射可重復使用航天器,在軌飛行兩天后,航天器于6日成功返回預定著陸場。這次試驗的成功,標志著中國可重復使用航天器技術研究取得重要突破,后續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。

可重復使用航天器都有哪些類型?經歷了哪些發展過程?我們約請航天學博士李會超向讀者做些解讀。

問:可重復使用航天器最早的研發是什么時候開始的?圖中央的飛機為X-15

圖中央的飛機為X-15

答:汽車是我們常用的代步工具,但如果汽車完成一次旅程后就不得不被拋棄,那么使用汽車的費用將超出大部分人的承受范圍。從太空時代伊始到現在,人們一直試圖研制出可以重復使用的航天器。近年來,可重復使用航天器呈現遍地開花的局面,為人類更深入廣泛地利用太空開辟了新道路。

可重復使用航天器的研發,最早可以追溯到上世紀六十年代美國的X-15試驗飛行器。上世紀五十年代末,人們同時在探索兩種進入太空的途徑。一種是利用運載火箭,從地面將飛船發射升空,進入近地的航天軌道。這種方式和我們今天常見的太空飛行方式類似,不久后便取得了成功和大規模的應用。另一種則是將在稠密大氣之內飛行的飛機改造成能夠在超高空飛行甚至進入太空亞軌道的飛機。這是目前仍在發展的空天飛機的雛形。X-15便是空天飛機的最早嘗試。

大氣層內飛行的飛機一般采用與空氣相互作用獲得推力的發動機,而在大氣稀薄的超高空飛行時,這種發動機無法產生足夠的推力,空氣中的氧氣也無法維持發動機運轉。因此,X-15采用了液體火箭發動機,以酒精(后期改進為無水氨)和液氧為推進劑,混合燃燒后從發動機尾部噴管中高速噴出,推進飛機飛行的能量和動量都來自于推進劑本身,能夠為X-15提供數百千牛的推力。而在稀薄大氣中飛行時,傳統飛機與空氣相互作用的翼面也無法發揮作用,因此,X-15采用了反沖控制系統,利用小型高比沖發動機在各個方向施加的推力,控制飛機的飛行姿態。

雖然具備了諸多航天器的特征,但X-15仍然具有在大氣層中飛行所必須的機翼。不過,X-15的機翼經過了空氣動力學特別設計,可以讓其在超高音速的飛行狀態下保持穩定。X-15并不通過自身的動力從機場起飛,而是通過B-52轟炸機充當的大型母機攜帶到約13000米高度釋放,之后開始自主飛行,利用火箭發動機提高自己的速度和高度。美國以80公里高度作為太空和大氣層的邊界。X-15在服役過程中,曾多次飛過這個界限進入亞軌道。

X-15的最高飛行高度為108公里,而一般的戰斗機升限高度僅在20公里左右,民航飛機則更低。X-15還飛出了相當驚人的2.02公里/秒的最高飛行速度。雖然火箭發射航天器的成功,迫使X-15不得不下馬,但是這種飛行器驗證了在大氣層與太空邊界的臨近空間飛行的可能性。目前美軍正在進行測試的X-37B空天飛機,和各國未來的空天飛機計劃,都與X-15的試驗有聯系。母機空中釋放的發射方式也為后來的飛行器、航天器所采用。例如,維京銀河公司正在試驗的亞軌道飛船,就是采用母機半空釋放飛船的發射方式,未來有望使亞軌道太空旅游成為可能。

問:與航天飛機相關的可重復使用航天器,是怎樣發展的?X-24B

X-24B

答:升力體飛行器是另一種可重復使用航天器采用的方案。飛機等固定翼飛行器,通過翼面和大氣的作用產生升力,托舉飛行器在大氣中飛行,而升力體飛行器則利用自身特別的外形,在機身上直接產生升力。研發升力體飛行器的目的,并非希望使用這種飛行器代替飛機,而是希望利用升力體飛行器解決載人航天器在返回大氣層時的控制問題。在上世紀六七十年代,美國的“阿波羅”飛船和蘇聯的“聯盟”飛船使用的都是太空艙構型。太空艙在返回地面時,基本無法控制自己的飛行軌跡,只能沿著脫離軌道時進入的彈道落地。而升力體飛行器則可以可控飛行,降落到預定的機場,或者臨時調整到備降場。

最有代表性的升力體飛行器,是美國的X-24A、X-24B、M2-F3、HL-10等試驗飛行器。以今天的眼光看,這些升力體飛行器的外形略顯呆萌,尾部仍然保留的機翼是為了飛行姿態的穩定和控制,并非用來獲取升力。在試驗過程中,這些飛行器同樣在母機上釋放,通過火箭發動機等自身動力進行飛行試驗。在航天飛機計劃發展過程中,航天飛機軌道器本來有可能采取升力體結構。但在進一步的設計過程中,工程師們發現升力體外形無法與航天飛機必須配備的燃料箱較好地綁定在一起,因此放棄了對升力體方案的使用,轉而采用三角翼方案。

不過,X-24A等升力體飛行器,試驗了航天飛機的“必選動作”。1969年,X-24A進行了一次無動力再入試驗,飛機從母機釋放后不打開發動機,僅通過滑翔飛行的方式降落在機場上。這正是航天飛機返回地面時所使用的方式,因此X-24A的試驗成功也為航天飛機計劃的開展鋪平了道路。

進入新世紀后,一些新研發的載人航天飛行器采用了升力體飛行器的構造,以實現較為可控和低損耗的返回過程,進而實現飛行器的可重復使用。美國內華達山脈公司自2010年開始,借助NASA“商業載人航天計劃”的資助,開始了“追夢者”飛船的研發。按照設計方案,這種飛船每次可以搭載3-7名宇航員,也可以經過改裝后用于貨運飛行。在發射時,飛船將被安裝在大力神5等大推力火箭頂部進入太空。而返回時,則可以通過自身升力體的外形自主著陸。這種外形酷似小號航天飛機的飛行器,在經過NASA兩輪資助后,最終未能入選商業載人航天計劃的首批飛船。不過,內華達山脈公司已經拿到了未來幾年的空間站貨運飛行合同,升力體飛行器也有望借助這種飛船實現真正的太空飛行。而歐空局計劃在未來自主實施的載人航天計劃,也以升力體飛行器為飛船的基本構型。

問:如今很多國家在設計新一代飛船時,不約而同地采用了艙體式飛船的方案,這是怎么回事?載人型龍飛船

載人型龍飛船

答:在航天飛機出現前,人們主要使用由多個艙體構成的飛船進行載人飛行。航天飛機計劃成功實施后,一度有取代艙體式飛船的趨勢。在航天飛機設計之初,人們曾經憧憬航天飛機機隊維持每年50次以上飛行的出勤率,每次飛行低至數百萬美元的飛行成本;每艘航天飛機在完成一次任務后,僅有1%的部件需要更新,經過兩個星期的整備就能重返太空,核心發動機可以使用數十次。然而,實際情況卻是每次飛行后的實際維護工作遠高于預期,需要更換大量的部件、消耗約2000小時的時間,航天飛機的飛行維護成本也隨之一飛沖天。

在吸取了航天飛機結構功能過于復雜的教訓后,各國的設計師們都認識到,載人航天器本身主要是航天員往返天地的運輸工具,不能在載人功能之外為其賦予太多的其他功能。因此,在設計新一代飛船時,他們不約而同地又采用了艙體式飛船的總體設計方案,又都賦予了新飛船可重復使用的功能。 

以可重復使用航天器為主要“賣點”的美國SPACEX公司,在之前獲得成功的龍飛船貨運型的基礎上,設計了載人型龍飛船。在經過多輪PK后,載人龍飛船成為了NASA商業載人航天計劃的首批飛船,在今年5月30日執行了航天飛機停飛后美國載人航天的首次復飛任務。載人型龍飛船一次最多可以將7名宇航員送入太空,在不對接的情況下可以獨立在太空中飛行一周。按照SPACEX對外公布的信息,載人型龍飛船可重復使用約10次。但在現階段的合同中,所有任務都會使用全新制造的飛船。

波音公司的CST-100星際客機是商業載人航天計劃的另一種飛船,同樣具備可回收重復使用的能力,設計的最大重用次數在10次左右。在著陸過程中,飛船乘員艙底部的防熱罩將在約1500米高度時拋棄,露出布置在防熱罩內的緩沖氣囊。在落地前,緩沖氣囊將充氣展開,為落地提供緩沖。

NASA自行研制的下一代載人“獵戶座”飛船,也是一種具有重復使用能力的飛船。龍飛船和CST-100飛船主要用于往來于國際空間站的飛行,而“獵戶座”則瞄準載人登月乃至登陸火星的任務需求,具備以第二宇宙速度直接再入大氣層的能力,艙體的防輻射性能也考慮了深空飛行中更加惡劣的宇宙線環境。

特別值得一提的是,我國今年5月成功發射和返回的新一代載人飛船試驗船,返回艙也是可重復使用的。它采用金屬結構與防熱結構分開的設計方式,返回后只需要更換防熱結構即可,金屬結構和艙內設備能重復使用。新一代飛船能夠以第二宇宙速度再入大氣層,還能在返回過程中克服電離氣體形成的“黑障”現象,使飛船與地面始終保持聯系。

(原題為《可重復使用航天器是何神器?航天學博士來解答》)

網友評論 >

吮吸乳頭

答:《意見》專門提出要研究政策,優化青年教師在鄉村建功立業的制度和人文環境。

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