航天器“重複用” 往返太空更便捷

本文轉自：人民日報海外版

本報記者 劉 嶢

《 人民日報海外版 》（ 2024年02月01日 第 09 版）

在2023年中關村論壇展覽現場，航天科技區域展出了可重複使用液氧甲烷發動機等諸多新成果。　　本報記者 賀 勇攝

美國“獵鷹9號”火箭。　　新華社發

日前，中國在酒泉衛星發射中心運用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗航天器。試驗航天器將在軌運行一段時間後，返回國內預定着陸場，其間將按計劃開展可重複使用技術驗證及空間科學實驗，爲和平利用太空提供技術支撐。

航天器的可重複使用技術是國際航天領域的焦點之一，也是中國建設航天強國的重要一步。作爲前沿航天技術，可重複使用航天器不僅可以“降本增效”，而且有望讓太空旅遊成爲可能。

技術研究有突破

可重複使用航天器是指可以重複使用、能夠迅速穿越大氣層、自由往返於地球表面與太空之間、運送乘員和有效載荷的航天器，也可以指較長時間在軌停留和機動、完成各種任務的航天器，包括載人飛船、貨運飛船、推進飛行器、行星着陸器、航天飛機等。

2023年12月14日，中國成功發射一型可重複使用的試驗航天器。在此之前，中國曾分別於2020年9月4日和2022年8月5日發射過可重複使用航天器。其中，2022年發射的可重複使用航天器，在軌飛行276天后成功返回地球，標誌着中國可重複使用航天器技術研究取得重要突破，後續可爲和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。

中國載人航天工程辦公室主任郝淳此前表示，爲進一步提升工程的綜合能力和技術水平，中國將研製新一代載人運載火箭和新一代載人飛船。其中，新一代載人運載火箭和新一代載人飛船的返回艙都可以實現可重複使用。

去年底，美國X-37B“軌道實驗飛行器”搭乘“重型獵鷹”運載火箭成功進入太空，執行第七次飛行任務。X-37B飛行器於2010年首飛，由美國波音公司製造，長約9米，翼幅約4.6米，外形類似航天飛機，但體積只有航天飛機的1/4，部分供電來自太陽能。這種飛行器配備自動着陸系統，由火箭送入太空，返回時像飛機那樣在跑道上滑行降落，可重複使用，但不載人。該飛行器能夠執行通信中繼、地面觀測等任務，具有廣泛的軍事和民事用途。

解決成本和產能問題

可重複使用也是運載火箭發展的必經之路，將成爲人類大規模進出空間的重要途徑。近年來，中國在一次性運載火箭的技術基礎上開展可重複使用運載火箭的相關技術攻關，取得了積極進展。

2021年7月16日，由中國航天科技集團一院研製的亞軌道重複使用演示驗證項目運載器在酒泉衛星發射中心成功首飛。2022年8月26日，由中國運載火箭技術研究院自主研製的升力式亞軌道運載器重複使用飛行試驗獲得成功。

亞軌道重複使用運載器可作爲升力式火箭動力重複使用航天運輸系統的子級，是航天航空技術的高度融合體。這些成功的飛行試驗，有力推動了中國航天運輸技術由一次性使用向重複使用的跨越式發展，爲重複使用天地往返航天運輸技術發展奠定了堅實基礎。

一次性運載火箭長期是人類進入空間的主要運輸方式，爲什麼要發展可重複使用的運載火箭？中國科學院院士、中國航天科技集團科技委主任包爲民指出，隨着進出空間規模需求的快速增長，一次性運載火箭在發射成本、履約週期和產能需求等方面均面臨巨大挑戰，發展可重複使用運載火箭能夠很好地解決以上問題。

包爲民說，綜合來看，可重複使用運載火箭在發射成本和發射頻次上相比一次性使用運載火箭具有明顯優勢，是實現1小時全球抵達、天地往返運輸等大規模、低成本進出空間運輸系統的重要途徑。

形成多種技術方案

早在20世紀五六十年代，人類就已經開始了對重複使用航天運輸系統相關技術的探索。經過幾十年發展，主要航天大國和地區已擁有不同程度的重複使用技術儲備，形成了多種典型的重複使用運載器方案。其中，根據入軌級數，可分爲多級入軌方案和單級入軌方案；根據起降方式，可分爲垂直起降方案、垂直起飛水平着陸方案、水平起降方案；根據回收方式，可分爲部分重複使用方案和完全重複使用方案等。

目前，火箭發動機技術已經相對成熟，是首選的推進方式，而組合動力則是未來重要的發展方向。火箭動力兩級入軌重複使用航天運輸系統的一級，是國內外重複使用技術關注的焦點。

美國太空探索技術公司的“獵鷹9號”就是可重複使用的運載火箭，其利用重複使用帶來的低成本優勢，在全球商業航天發射市場發展迅速。過去1年，“獵鷹9號”發射30餘次。近日，“獵鷹9號”火箭攜“龍”飛船，將美國私營企業公理航天公司組織的“私人”宇航團隊送往國際空間站。

在民營航天領域，中國航天企業近年來也相繼開發可重複使用的運載器。近日，中國航天科工航天三江所屬火箭公司自主研發的快舟火箭可重複使用技術試驗箭順利完成垂直起降試驗，爲快舟系列可重複使用液氧甲烷運載火箭的研製奠定了基礎。不久前，朱雀三號可重複使用火箭垂直返回技術在酒泉衛星發射中心完成首次飛行試驗，該火箭是中國首款不鏽鋼液體運載火箭，以液氧甲烷爲燃料。朱雀三號箭體直徑4.5米，一子級設計複用次數不少於20次，具備一箭多星、平板堆疊衛星集羣發射的能力。朱雀三號貯箱結構採用高強度不鏽鋼材料，發射成本相較一次性使用火箭可降低80%至90%。

可重複使用航天器具有低成本、高可靠性的技術特徵，能滿足未來廉價、自由進出空間的發展需求。除了向空間站等系統補充人員和物資之外，可重複使用航天器還可以搭載乘客，以更低的成本實現更高效的太空旅行。

未來，在太空旅行過程中，可重複使用運載器動力系統沿用火箭發動機，起飛階段就像火箭發射一樣，爬升到距地球約100多公里的亞軌道上，停留約10分鐘後，再依靠慣性像飛機一樣返回地球，水平着陸。整個過程大約30分鐘，全程都按照預定程序，全自動飛行。遊客不用穿宇航服，甚至可以帶手機拍照發朋友圈，像航天員一樣在艙內飄來飄去，透過窗戶從太空眺望地球。由於運載器本身有糾錯功能，即使指令有誤，也能返回正確軌道。因此，遊客還有機會體驗太空駕駛的樂趣。

可重複使用、高可靠性和高安全性是未來航天器的重要發展方向。當前，在可重複使用的航天器發展方面還存在許多挑戰，如航天器在重返大氣層時需要先進的隔熱保護，也需要堅固可靠的着陸系統和可靠高效的推進系統。同時，維持航天器在軌期間的電力來源也需要先進的太陽能電池板或其他能夠在太空中可靠運行的發電系統等。