航天器“重复用” 往返太空更便捷

发布时间:2024-02-22 16:03:09 来源: sp20240222

  

  日前,中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技术验证及空间科学实验,为和平利用太空提供技术支撑。

  航天器的可重复使用技术是国际航天领域的焦点之一,也是中国建设航天强国的重要一步。作为前沿航天技术,可重复使用航天器不仅可以“降本增效”,而且有望让太空旅游成为可能。

  技术研究有突破

  可重复使用航天器是指可以重复使用、能够迅速穿越大气层、自由往返于地球表面与太空之间、运送乘员和有效载荷的航天器,也可以指较长时间在轨停留和机动、完成各种任务的航天器,包括载人飞船、货运飞船、推进飞行器、行星着陆器、航天飞机等。

  2023年12月14日,中国成功发射一型可重复使用的试验航天器。在此之前,中国曾分别于2020年9月4日和2022年8月5日发射过可重复使用航天器。其中,2022年发射的可重复使用航天器,在轨飞行276天后成功返回地球,标志着中国可重复使用航天器技术研究取得重要突破,后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。

  中国载人航天工程办公室主任郝淳此前表示,为进一步提升工程的综合能力和技术水平,中国将研制新一代载人运载火箭和新一代载人飞船。其中,新一代载人运载火箭和新一代载人飞船的返回舱都可以实现可重复使用。

  去年底,美国X-37B“轨道实验飞行器”搭乘“重型猎鹰”运载火箭成功进入太空,执行第七次飞行任务。X-37B飞行器于2010年首飞,由美国波音公司制造,长约9米,翼幅约4.6米,外形类似航天飞机,但体积只有航天飞机的1/4,部分供电来自太阳能。这种飞行器配备自动着陆系统,由火箭送入太空,返回时像飞机那样在跑道上滑行降落,可重复使用,但不载人。该飞行器能够执行通信中继、地面观测等任务,具有广泛的军事和民事用途。

  解决成本和产能问题

  可重复使用也是运载火箭发展的必经之路,将成为人类大规模进出空间的重要途径。近年来,中国在一次性运载火箭的技术基础上开展可重复使用运载火箭的相关技术攻关,取得了积极进展。

  2021年7月16日,由中国航天科技集团一院研制的亚轨道重复使用演示验证项目运载器在酒泉卫星发射中心成功首飞。2022年8月26日,由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成功。

  亚轨道重复使用运载器可作为升力式火箭动力重复使用航天运输系统的子级,是航天航空技术的高度融合体。这些成功的飞行试验,有力推动了中国航天运输技术由一次性使用向重复使用的跨越式发展,为重复使用天地往返航天运输技术发展奠定了坚实基础。

  一次性运载火箭长期是人类进入空间的主要运输方式,为什么要发展可重复使用的运载火箭?中国科学院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民指出,随着进出空间规模需求的快速增长,一次性运载火箭在发射成本、履约周期和产能需求等方面均面临巨大挑战,发展可重复使用运载火箭能够很好地解决以上问题。

  包为民说,综合来看,可重复使用运载火箭在发射成本和发射频次上相比一次性使用运载火箭具有明显优势,是实现1小时全球抵达、天地往返运输等大规模、低成本进出空间运输系统的重要途径。

  形成多种技术方案

  早在20世纪五六十年代,人类就已经开始了对重复使用航天运输系统相关技术的探索。经过几十年发展,主要航天大国和地区已拥有不同程度的重复使用技术储备,形成了多种典型的重复使用运载器方案。其中,根据入轨级数,可分为多级入轨方案和单级入轨方案;根据起降方式,可分为垂直起降方案、垂直起飞水平着陆方案、水平起降方案;根据回收方式,可分为部分重复使用方案和完全重复使用方案等。

  目前,火箭发动机技术已经相对成熟,是首选的推进方式,而组合动力则是未来重要的发展方向。火箭动力两级入轨重复使用航天运输系统的一级,是国内外重复使用技术关注的焦点。

  美国太空探索技术公司的“猎鹰9号”就是可重复使用的运载火箭,其利用重复使用带来的低成本优势,在全球商业航天发射市场发展迅速。过去1年,“猎鹰9号”发射30余次。近日,“猎鹰9号”火箭携“龙”飞船,将美国私营企业公理航天公司组织的“私人”宇航团队送往国际空间站。

  在民营航天领域,中国航天企业近年来也相继开发可重复使用的运载器。近日,中国航天科工航天三江所属火箭公司自主研发的快舟火箭可重复使用技术试验箭顺利完成垂直起降试验,为快舟系列可重复使用液氧甲烷运载火箭的研制奠定了基础。不久前,朱雀三号可重复使用火箭垂直返回技术在酒泉卫星发射中心完成首次飞行试验,该火箭是中国首款不锈钢液体运载火箭,以液氧甲烷为燃料。朱雀三号箭体直径4.5米,一子级设计复用次数不少于20次,具备一箭多星、平板堆叠卫星集群发射的能力。朱雀三号贮箱结构采用高强度不锈钢材料,发射成本相较一次性使用火箭可降低80%至90%。

  可重复使用航天器具有低成本、高可靠性的技术特征,能满足未来廉价、自由进出空间的发展需求。除了向空间站等系统补充人员和物资之外,可重复使用航天器还可以搭载乘客,以更低的成本实现更高效的太空旅行。

  未来,在太空旅行过程中,可重复使用运载器动力系统沿用火箭发动机,起飞阶段就像火箭发射一样,爬升到距地球约100多公里的亚轨道上,停留约10分钟后,再依靠惯性像飞机一样返回地球,水平着陆。整个过程大约30分钟,全程都按照预定程序,全自动飞行。游客不用穿宇航服,甚至可以带手机拍照发朋友圈,像航天员一样在舱内飘来飘去,透过窗户从太空眺望地球。由于运载器本身有纠错功能,即使指令有误,也能返回正确轨道。因此,游客还有机会体验太空驾驶的乐趣。

  可重复使用、高可靠性和高安全性是未来航天器的重要发展方向。当前,在可重复使用的航天器发展方面还存在许多挑战,如航天器在重返大气层时需要先进的隔热保护,也需要坚固可靠的着陆系统和可靠高效的推进系统。同时,维持航天器在轨期间的电力来源也需要先进的太阳能电池板或其他能够在太空中可靠运行的发电系统等。(人民日报海外版 记者:刘 峣)

【编辑:张燕玲】