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永亨现场官网:可重复使用航天器是何神器?

2020-09-23 07:28 北京日报
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来源标题:可重复使用航天器是何神器?

据新华社报道,中国在酒泉卫星发射中心成功发射可重复使用航天器,在轨飞行两天后,航天器于6日成功返回预定着陆场。这次试验的成功,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。

可重复使用航天器都有哪些类型?经历了哪些发展过程?这里我们就来做一些梳理。

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由X-15开创的空天飞机技术

汽车是我们常用的代步工具,但如果汽车完成一次旅程后就不得不被抛弃,那么使用汽车的费用将超出大部分人的承受范围。从太空时代伊始到现在,人们一直试图研制出可以重复使用的航天器。近年来,可重复使用航天器呈现遍地开花的局面,为人类更深入广泛地利用太空开辟了新道路。

可重复使用航天器的研发,最早可以追溯到上世纪六十年代美国的X-15试验飞行器。上世纪五十年代末,人们同时在探索两种进入太空的途径。一种是利用运载火箭,从地面将飞船发射升空,进入近地的航天轨道。这种方式和我们今天常见的太空飞行方式类似,不久后便取得了成功和大规模的应用。另一种则是将在稠密大气之内飞行的飞机改造成能够在超高空飞行甚至进入太空亚轨道的飞机。这是目前仍在发展的空天飞机的雏形。X-15便是空天飞机的最早尝试。

大气层内飞行的飞机一般采用与空气相互作用获得推力的发动机,而在大气稀薄的超高空飞行时,这种发动机无法产生足够的推力,空气中的氧气也无法维持发动机运转。因此,X-15采用了液体火箭发动机,以酒精(后期改进为无水氨)和液氧为推进剂,混合燃烧后从发动机尾部喷管中高速喷出,推进飞机飞行的能量和动量都来自于推进剂本身,能够为X-15提供数百千牛的推力。而在稀薄大气中飞行时,传统飞机与空气相互作用的翼面也无法发挥作用,因此,X-15采用了反冲控制系统,利用小型高比冲发动机在各个方向施加的推力,控制飞机的飞行姿态。

虽然具备了诸多航天器的特征,但X-15仍然具有在大气层中飞行所必需的机翼。不过,X-15的机翼经过了空气动力学特别设计,可以让其在超高音速的飞行状态下保持稳定。X-15并不通过自身的动力从机场起飞,而是通过B-52轰炸机充当的大型母机携带到约13000米高度释放,之后开始自主飞行,利用火箭发动机提高自己的速度和高度。美国以80公里高度作为太空和大气层的边界。X-15在服役过程中,曾多次飞过这个界限进入亚轨道。

X-15的最高飞行高度为108公里,而一般的战斗机升限高度仅在20公里左右,民航飞机则更低。X-15还飞出了相当惊人的2.02公里/秒的最高飞行速度。虽然火箭发射航天器的成功,迫使X-15不得不下马,但是这种飞行器验证了在大气层与太空边界的临近空间飞行的可能性。目前美军正在进行测试的X-37B空天飞机,和各国未来的空天飞机计划,都与X-15的试验有联系。母机空中释放的发射方式也为后来的飞行器、航天器所采用。例如,维京银河公司正在试验的亚轨道飞船,就是采用母机半空释放飞船的发射方式,未来有望使亚轨道太空旅游成为可能。

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升力体飞行器与航天飞机

升力体飞行器是另一种可重复使用航天器采用的方案。飞机等固定翼飞行器,通过翼面和大气的作用产生升力,托举飞行器在大气中飞行,而升力体飞行器则利用自身特别的外形,在机身上直接产生升力。研发升力体飞行器的目的,并非希望使用这种飞行器代替飞机,而是希望利用升力体飞行器解决载人航天器在返回大气层时的控制问题。在上世纪六七十年代,美国的“阿波罗”飞船和苏联的“联盟”飞船使用的都是太空舱构型。太空舱在返回地面时,基本无法控制自己的飞行轨迹,只能沿着脱离轨道时进入的弹道落地。而升力体飞行器则可以可控飞行,降落到预定的机场,或者临时调整到备降场地。

最有代表性的升力体飞行器是美国的X-24A、X-24B、M2-F3、HL-10等试验飞行器。以今天的眼光看,这些升力体飞行器的外形略显呆萌,尾部仍然保留的机翼是为了飞行姿态的稳定和控制,并非用来获取升力。在试验过程中,这些飞行器同样在母机上释放,通过火箭发动机等自身动力进行飞行试验。在航天飞机计划发展过程中,航天飞机轨道器本来有可能采取升力体结构,但在进一步的设计过程中,工程师们发现升力体外形无法与航天飞机必须配备的燃料箱较好地绑定在一起,因此放弃了对升力体方案的使用,转而采用三角翼方案。

不过,X-24A等升力体飞行器,试验了航天飞机的“必选动作”。1969年,X-24A进行了一次无动力再入试验,飞机从母机释放后不打开发动机,仅通过滑翔飞行的方式降落在机场上。这正是航天飞机返回地面时所使用的方式,因此X-24A的试验成功也为航天飞机计划的开展铺平了道路。

进入新世纪后,一些新研发的载人航天飞行器采用了升力体飞行器的构造,以实现较为可控和低损耗的返回过程,进而实现飞行器的可重复使用。美国内华达山脉公司自2010年开始,借助NASA“商业载人航天计划”的资助,开始了“追梦者”飞船的研发。按照设计方案,这种飞船每次可以搭载3-7名宇航员,也可以经过改装后用于货运飞行。在发射时,飞船将被安装在大力神5等大推力火箭顶部进入太空。而返回时,则可以通过自身升力体的外形自主着陆。这种外形酷似小号航天飞机的飞行器,在经过NASA两轮资助后,最终未能入选商业载人航天计划的首批飞船。不过,内华达山脉公司已经拿到了未来几年的空间站货运飞行合同,升力体飞行器也有望借助这种飞船实现真正的太空飞行。而欧空局计划在未来自主实施的载人航天计划,也以升力体飞行器为飞船的基本构型。

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舱体式飞船被再度重视

在航天飞机出现前,人们主要使用由多个舱体构成的飞船进行载人飞行。航天飞机计划成功实施后,一度有取代舱体式飞船的趋势。在航天飞机设计之初,人们曾经憧憬航天飞机机队维持每年50次以上飞行的出勤率,每次飞行低至数百万美元的飞行成本;每艘航天飞机在完成一次任务后,仅有1%的部件需要更新,经过两个星期的整备就能重返太空,核心发动机可以使用数十次。然而,实际情况却是每次飞行后的实际维护工作远高于预期,需要更换大量的部件、消耗约2000小时的时间,航天飞机的飞行维护成本也随之一飞冲天。

在吸取了航天飞机结构功能过于复杂的教训后,各国的设计师们都认识到,载人航天器本身主要是航天员往返天地的运输工具,不能在载人功能之外为其赋予太多的其他功能。因此,在设计新一代飞船时,他们不约而同地又采用了舱体式飞船的总体设计方案,又都赋予了新飞船可重复使用的功能。

以可重复使用航天器为主要“卖点”的美国SPACEX公司,在之前获得成功的货运型龙飞船的基础上,设计了载人型龙飞船。在经过多轮PK后,载人型龙飞船成为了NASA商业载人航天计划的首批飞船,在今年5月30日执行了航天飞机停飞后美国载人航天的首次复飞任务。载人型龙飞船一次最多可以将7名宇航员送入太空,在不对接的情况下可以独立在太空中飞行一周。按照SPACEX对外公布的信息,载人型龙飞船可重复使用约10次。但在现阶段的合同中,所有任务都会使用全新制造的飞船。

波音公司的CST-100星际客机是商业载人航天计划的另一种飞船,同样具备可回收重复使用的能力,设计的最大重用次数在10次左右。在着陆过程中,飞船乘员舱底部的防热罩将在约1500米高度时被抛弃,露出布置在防热罩内的缓冲气囊。在落地前,缓冲气囊将充气展开,为落地提供缓冲。

NASA自行研制的下一代载人“猎户座”飞船,也是一种具有重复使用能力的飞船。龙飞船和CST-100飞船主要用于往来于国际空间站的飞行,而“猎户座”则瞄准载人登月乃至登陆火星的任务需求,具备以第二宇宙速度直接再入大气层的能力,舱体的防辐射性能也考虑了深空飞行中更加恶劣的环境。

特别值得一提的是,我国今年5月成功发射和返回的新一代载人飞船试验船,返回舱也是可重复使用的。它采用金属结构与防热结构分开的设计方式,返回后只需要更换防热结构即可,金属结构和舱内设备能重复使用。新一代飞船能够以第二宇宙速度再入大气层,还能在返回过程中克服电离气体形成的“黑障”现象,使飞船与地面始终保持联系。

责任编辑:冯翀(QZ0019)
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