我國可重復使用航天運載器預計2020年首飛
廉價、便捷地往返天地,一直是航天技術(shù)發(fā)展的目標。近年大出風頭的美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX),正是憑借獵鷹九號火箭的回收和重復使用,在降低航天成本方面邁出了跨越性的一步??萍既請笥浾呷涨皬闹袊教炜萍技瘓F公司一院獲悉,該院正聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢機構(gòu)共同合作研制可重復使用運載器,并計劃于2020年左右首飛。其最終目標不僅能將單位有效載荷的運輸成本降低至現(xiàn)有一次性運載火箭的十分之一,還能大幅縮短發(fā)射準備時間,有望像飛機一樣實現(xiàn)航班化的天地往返運輸。
一級“背”著二級,一天能飛一次
一院研發(fā)中心總體室主任陳洪波在接受科技日報專訪時介紹,可重復使用運載器,指能利用自身動力攜帶人員或有效載荷進入預定軌道,并可從軌道返回地面,可以多次重復使用的航天運輸工具。
根據(jù)不同標準,重復使用運載器有多種分類。按照重復使用的比率,可分為部分重復使用和完全重復使用(例如航天飛機、獵鷹九號火箭等屬于部分重復使用,英國正在研制的“云霄塔”空天飛行器屬于完全重復使用);按主動力形式分為火箭動力和吸氣式組合動力;按級數(shù)分為單級入軌和多級入軌(一般以兩級入軌為主);按起降方式分為垂直起飛/垂直降落、垂直起飛/水平降落以及水平起降。
陳洪波表示,我國正在研制的重復使用運載器兼具航天器和航空飛行器的特點。與傳統(tǒng)一次性火箭相比,我國正基于目前的火箭發(fā)動機,通過技術(shù)改進讓其實現(xiàn)重復使用。2020年左右完成首飛后,還將連續(xù)進行數(shù)次飛行,驗證其快速再次發(fā)射和重復使用能力。美國國防高級研究計劃局主導的XS-1(試驗性太空飛機,采用垂直發(fā)射、水平著陸模式)也計劃在2020年完成飛行試驗,可以說,中美兩國的可重復使用運載器研發(fā)是“比肩的”。
與獵鷹九號相比,該運載器的組合和回收方式有所不同。陳洪波說,獵鷹九號以及傳統(tǒng)火箭,各子級是采用串聯(lián)方式。該運載器的起飛方式與傳統(tǒng)火箭一樣,都是垂直發(fā)射,但優(yōu)選方案是讓一二級并聯(lián)組合在一起,一級“背”著二級,二級機身設(shè)置著有效載荷艙?;厥諘r,獵鷹九號一級是垂直降落于海上平臺或陸地回收區(qū)域,目前暫未實現(xiàn)第二級的回收。而可重復使用運載器的一二級在完成各自任務(wù)后,將分別返回著陸場,像飛機一樣水平降落在跑道上。
SpaceX曾宣稱,憑借獵鷹九號一級回收,未來可將航天發(fā)射成本降低80%。我國重復使用運載器的目標與其近似。陳洪波說,該運載器的設(shè)計重復使用次數(shù)在20次以上,初期目標是將單位有效載荷運輸成本降至目前的五分之一,未來則有望降至十分之一。
除了降低發(fā)射成本,該運載器的發(fā)射周期也將大大縮短??萍既請笥浾吡私獾?,傳統(tǒng)火箭的發(fā)射準備時間往往長達數(shù)月,即使是國內(nèi)以快著稱的小型火箭“快舟”系列,準備時間也需一周左右。而陳洪波透露,該運載器將引入航空領(lǐng)域的快速檢測理念和技術(shù),力求具備一天一次飛行的能力。
不過,可重復使用航天器的終極目標,仍是能像飛機一樣水平起降、可單級入軌的“空天飛機”。其為了提高在大氣層內(nèi)的飛行效率,需要用渦輪發(fā)動機、沖壓發(fā)動機與火箭形成組合動力??萍既請笥浾吡私獾?,目前國內(nèi)已經(jīng)開展相關(guān)研究。但陳洪波表示,該技術(shù)難度極大,預計還需要15年左右才能有所突破,具備工程應(yīng)用能力。而火箭動力形式目前已經(jīng)比較成熟。
空間站航天員無需擔心“斷糧”
從外觀來看,我國在研的重復使用運載器與傳統(tǒng)火箭最顯著的區(qū)別,就是其一二級均帶有飛機一樣的“翅膀”。
陳洪波表示,為了實現(xiàn)水平降落回收,一二級需要有航空器的機翼,為其在跑道水平著陸時提供足夠的升力。為此,一院與北京航空航天大學航空學院簽訂協(xié)議,雙方將在帶翼航天器彈性載荷設(shè)計和疲勞載荷譜設(shè)計方面開展深度合作。
載荷設(shè)計的優(yōu)劣將決定運載器的技術(shù)先進性和承載能力。陳洪波說,此載荷指的是飛行器在任務(wù)過程中受力的情況。如果載荷設(shè)計過于保守,會導致飛行器結(jié)構(gòu)過重,損失運載能力;過于冒進則可能導致結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計薄弱,影響飛行安全。為滿足該運載器重復使用、高頻次發(fā)射的需求,必須吸納航空飛行器載荷設(shè)計的技術(shù)方法。
十九大報告中指出:“要瞄準世界科技前沿,強化基礎(chǔ)研究,實現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。”記者了解到,可重復使用運載器技術(shù)代表著世界科技前沿,可帶動先進材料、先進制造、控制、氣動等學科的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。同時其應(yīng)用前景極為廣闊。據(jù)介紹,我國預計在2030年前全部完成可重復使用運載器的研發(fā)及相關(guān)飛行試驗,屆時有望成為全世界首個實現(xiàn)完全重復使用運載器研制的國家。
陳洪波說,該運載器主要面向300至500公里高度的軌道,可滿足未來“快速、可靠、廉價”的航天運輸需求。例如能承擔未來我國空間站的人員、物資運輸任務(wù),也能滿足軍民兩用的有效載荷發(fā)射需求,還能開發(fā)太空旅游等民用產(chǎn)業(yè)。
可以想象,未來生活在空間站的航天員再也不用擔心“斷糧”了,更多人也能有機會前往太空一覽美景。
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