過于先進無法展示！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。

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飛船震撼首秀之時，一艘被稱為“可重復(fù)使用試驗航天器”的小型飛船悄然返回了地面。據(jù)報道，這型航天器由長征2F運載火箭發(fā)射升空，在經(jīng)歷了長達276天的在軌飛行后成功返回。

從簡短的文字報道中，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”的概念設(shè)計，并進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以及部分尚在試驗中的新型飛船，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)著加加林時代飛船的特征：一次任務(wù)結(jié)束后飛船即宣告報廢。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）就開始論證多個可重復(fù)使用航天器方案，最終“航天運輸系統(tǒng)”方案獲得資助，這種融合了飛機啟動布局設(shè)計的方案在后來發(fā)展成人們耳熟能詳?shù)摹昂教祜w機”——如火箭一樣升空，如飛機一樣降落。

▲2007年， “發(fā)現(xiàn)”號航天飛機執(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輸需求。而航天飛機一次可將7名航天員送入軌道，同時巨大的貨艙賦予了它巨大的運輸能力。最重要的是：航天飛機可以再次升空投入使用，比如“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機在其27年的服役生涯中先后升空39次，運送航天員達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，國際空間站的運輸任務(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？其實還是卡在了成本上面：林林總總算下來，航天飛機平均發(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現(xiàn)，由于維護工作過于復(fù)雜，航天飛機的發(fā)射周轉(zhuǎn)周期非常長，歷史上最短的發(fā)射間隔也高達54天……這樣又貴又慢的航天器逐漸趕不上時代的要求了。

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

價廉高效的“龍”飛船

航天飛機雖然風(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，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，而且自航天飛機之后，“龍”飛船再次實現(xiàn)了航天器的重復(fù)使用，這就更有利于進一步攤銷成本。在搭配“獵鷹9號”之后，“龍”飛船在10年時間里先后進行了23次發(fā)射，其中18次是對國際空間站的貨運任務(wù)。算下來，“龍”飛船的發(fā)射成本只有航天飛機的不到十分之一。

▲2012年，執(zhí)行CRS-11任務(wù)的“龍”貨運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)達到了當(dāng)年航天飛機的標(biāo)準(zhǔn)，而且該飛船設(shè)計可重復(fù)進行10次發(fā)射任務(wù)，這就進一步攤銷了發(fā)射成本，若再算上“獵鷹9號”運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”飛船是一款劃時代的航天產(chǎn)品，但本身的局限依然不能忽視。它的設(shè)計畢竟源自傳統(tǒng)的載人飛船，在發(fā)射時還需要采用發(fā)射架，對發(fā)射地點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動能力的。因此還需要地面出動搜救人員到預(yù)估的降落地點進行回收，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，中國在行動

將飛機的設(shè)計融入航天器中的想法從未消失。如果航天器能夠如客機一樣起飛降落，那未來的太空之旅就真會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)——空天飛機出現(xiàn)了。這種航天器兼具了飛機和載人飛船的特點，在可重復(fù)使用的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)與普通飛機一樣的起降。其實，航天飛機可以看作是空天飛機理念的“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。而空天飛機研制的難點正在此：飛機以什么方式進入太空？理想的空天飛機當(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，目前各國試驗中的空天飛機依然是靠火箭助推升空。比如NASA的“追夢者”微型航天飛機、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，人們也在嘗試一個折中的新方案：兩截式空天飛機。即由一個大型飛機形態(tài)載具搭載空天飛機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”號試驗過，這種噴氣動力母艦機曾在高空發(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)計在2025年完成技術(shù)驗證飛行。

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

此次官宣的“可重復(fù)使用試驗航天器”其實早在2020年就進行過發(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的設(shè)計方案。而此次該航天器在軌時間竟達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?；蛟S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。

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報 | 北科傳媒

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來源: 科普中央廚房